日本物质材料研究机构（NIMS）日前发布了一项研究成果，采用市售的硅纳米颗粒，利用喷涂工艺制作出的硅纳米颗粒电极，在全固体电池中显示出了较高的输出特性和良好的循环特性。与利用成本高且难以实现大面积化的气相法制作的硅蒸镀膜相比，利用喷涂工艺不仅成本低而且相对容易实现大面积化，用其制作的硅纳米颗粒电极具备更高的电极特性。这是一个划时代的发现，有望为安全且可靠性高的全固体锂二次电池实现大容量化做出贡献。
利用电子显微镜观察到的硅纳米颗粒电极在充电前和充电后的截面
硅作为负极材料使用时的理论容量密度为4200mAh/g，这个数值与现在使用的石墨相比高达后者的11倍左右。如果用作纯电动汽车用电池的负极，充电一次的行驶距离有望大幅延长。不过，此前存在硅材料体积变化大的课题，充放电前后的体积变化率会达到3倍。
以往的液态电池需要使用粘合材料将浸泡在电解液中的活性物质颗粒固定到集电体上，所以巨大的体积变化容易导致活性物质颗粒从电极脱落，从而难以实现稳定的充放电。而全固体电池采用集电极和固体电解质这两种固体夹住活性物质颗粒的构造，可以避免这个问题。NIMS此前已经确认，利用气相法制作的纯硅蒸镀膜在全固体电池的实用面容量2.2mAh/cm2中也显示出了较高的输出特性和循环特性。不过，气相法需要高真空环境，因此难以实现大面积化和连续生产，要想投入实用，必须开发生产效率优异的低成本电极制作工艺。
作为取代气相法制作硅负极的技术，NIMS开发出了采用喷涂工艺制作硅纳米颗粒电极，间接合成与蒸镀膜相似的连续膜技术。该技术基于NIMS发现的一个现象，那就是巧妙利用充电时各颗粒在有限空间内发生的非常大的体积膨胀，可以使构成电极的颗粒牢固结合在一起，其形态会即时变成连续膜。也就是说，该成果利用全固体电池中特有的环境，巧妙地利用了液态电池存在的体积变化现象。另外，该方法非常简便，只需在普通空气环境下向集电体喷涂硅纳米颗粒分散液即可，能实现大面积生产，且生产率高。
今后将进一步推进开发，增加能即时变成连续膜的硅纳米颗粒电极的填充量，从而增加纯电动汽车用全固体电池的容量等。
相关研究论文已于2019年9月24日发表于期刊《ACS Applied Energy Materials》的在线版。
发表论文
题目 : Anode Properties of Si Nanoparticles in All-Solid-State Li Batteries
期刊 : 《ACS Applied Energy Materials》
DOI : 10.1021/acsaem.9b01517
文：JST客观日本编辑部翻译整理
