日本物質材料研究機構（NIMS）日前發佈了一項研究成果，採用市售的硅奈米顆粒，利用噴塗工藝製作出的硅奈米顆粒電極，在全固體電池中顯示出了較高的輸出特性和良好的循環特性。與利用成本高且難以實施大面積化的氣相法制作的硅蒸鍍膜相比，利用噴塗工藝不僅成本低而且相對容易實施大面積化，用其製作的硅奈米顆粒電極具備更高的電極特性。這是一個劃時代的發現，有望爲安全且可靠性高的全固體鋰二次電池實施大容量化做出貢獻。
利用電子顯微鏡觀察到的硅奈米顆粒電極在充電前和充電後的截面
硅作爲負極材料使用時的理論容量密度爲4200mAh/g，這個數值與現在使用的石墨相比高達後者的11倍左右。如果用作純電動車用電池的負極，充電一次的行駛距離有望大幅延長。不過，此前存在硅材料體積變化大的課題，充放電前後的體積變化率會達到3倍。
以往的液態電池需要使用粘合材料將浸漬在電解液中的活性材料顆粒固定到集電體上，所以巨大的體積變化容易導致活性材料顆粒從電極脫落，從而難以實施穩定的充放電。而全固體電池採用集電極和固態電解質這兩種固體夾住活性材料顆粒的構造，可以避免這個問題。NIMS此前已經應答，利用氣相法制作的純硅蒸鍍膜在全固體電池的實用面容量2.2mAh/cm2中也顯示出了較高的輸出特性和循環特性。不過，氣相法需要高真空環境，因此難以實施大面積化和連續生產，要想投入實用，必須開發生產效率優異的低成本電極製作工藝。
作爲取代氣相法制作硅負極的技術，NIMS開發出了採用噴塗工藝製作硅奈米顆粒電極，間接合成與蒸鍍膜相似的連續膜技術。該技術基於NIMS發現的一個現象，那就是巧妙利用充電時各顆粒在有限空間内發生的非常大的體積膨脹，可以使構成電極的顆粒牢固結合在一起，其形態會即時變成連續膜。也就是說，該成果利用全固體電池中特有的環境，巧妙地利用了液態電池存在的體積變化現象。另外，該方法非常簡便，只需在普通空氣環境下向集電體噴塗硅奈米顆粒分散液即可，能實施大面積生產，且生產力高。
今後將進一步推進開發，增加能即時變成連續膜的硅奈米顆粒電極的填充量，從而增加純電動車用全固體電池的容量等。
相關研究論文已於2019年9月24日發表於期刊《ACS Applied Energy Materials》的線上版。
發表論文
題目 : Anode Properties of Si Nanoparticles in All-Solid-State Li Batteries
期刊 : 《ACS Applied Energy Materials》
DOI : 10.1021/acsaem.9b01517
文：JST客觀日本編輯部翻譯整理
