東京大學研究生院理學系研究科西原研究室，研究了多種在組裝二次電池之前使負極與鋰發生反應（預摻雜）的實用方法。結果發現，如果在加壓條件下對負極進行電化學預摻雜，能以大電流預摻雜至高濃度。這樣一來，便有望以實用水平的處理速度削減不可逆容量。
此次的技術對含硅的高容量負極尤其有效。硅負極的理論容量爲目前負極的10倍以上，且資源蘊藏量豐富，因此在很早以前就備受關注。但由於硅的不可逆容量較大，反復充放電會造成容量大幅減小，因此用途一直沒有擴大。爲含硅負極應用了此次的加壓電解預摻雜技術後，安裝好的二次電池的容量增加了20％，同時還抑制了充放電造成的容量下降。
圖1比較了實施電化學預摻雜和未實施電化學預摻雜的硅負極分別搭配普通鋰離子電池正極材料（LiNMC）構成的二次電池充放電時容量與電壓的關係。結果顯示，採用實施預摻雜的硅負極的二次電池，容量達到150Ah/kg，接近活性材料的設計值（158Ah/kg）；而採用未實施預摻雜的硅負極的二次電池的容量爲125Ah/kg，失去20％的容量。另外，未進行預摻雜的電池的容量在第五次充放電時就已降低15Ah/kg。這些結果表明，透過實施加壓電解預摻雜，能提高二次電池的容量，並延長使用壽命。
圖1：採用硅負極和LiMNC正極的二次電池充放電曲線。
圖中數位爲充放電循環次數。實線：實施加壓電解預摻雜的硅負極；虛線：未實施預摻雜的硅負極
圖2是實施了電化學預摻雜的硅負極的透射型顯微鏡照片。硅顆粒表面透過電化學預摻雜形成了SEI層。在加壓條件下實施預摻雜的硅負極形成了含Li2CO3的島狀SEI，據推測是電解液與添加材料的反應生成物，而在未加壓條件下實施預摻雜的硅負極主要含Li2O。這表明，透過加壓能形成高品質的SEI。另外，利用超高速MAS固體核磁共振測量（7Li MAS NMR）及X射線繞射測量（XRD）發現，實施加壓電解預摻雜的電極能生成穩定的Li15Si4，表明鋰的摻雜偏向於硅中。由此可以認爲，實施加壓電解預摻雜可以獲得可反復充放電不易劣化的電極。
圖2：實施預摻雜的硅負極的透射型顯微鏡照片。
左：加壓電解預摻雜
右：非加壓電解預摻雜
論文資訊
題目：High-energy, Long-cycle-life Secondary Battery with Electrochemically Pre-doped Silicon Anode
期刊：《Scientific Reports》
DOI編號：10.1038/s41598-020-59913-4
中文：JST客觀日本編輯部編譯
