Imagens de microscópio eletrônico de varredura de emissão de campo em seção transversal (FE-SEM) do ânodo de Si preparado composto de nanopartículas depositadas por spray no coletor de corrente de aço inoxidável e o ânodo no estado totalmente carregado. Crédito:NIMS
Um novo estudo liderado por pesquisadores do NIMS revela que, em eletrólitos sólidos, um ânodo de silício composto apenas de nanopartículas de silício comerciais preparadas por deposição de spray exibe excelente desempenho de eletrodo, o que foi observado anteriormente apenas para eletrodos de filme preparados por processos de evaporação. O método é econômico, técnica atmosférica, e seu novo resultado, portanto, sugere que uma produção de baixo custo e em larga escala de ânodos de alta capacidade para uso em baterias de lítio totalmente sólidas é possível.
O silício tem uma capacidade teórica de ~ 4, 200 mAh / g, que é aproximadamente 11 vezes maior do que a grafite comumente usada como material ativo anódico em baterias comerciais de íon-lítio. Substituir o grafite tradicional pelo silício pode estender significativamente o raio de ação por carga de veículos elétricos. Contudo, sua grande mudança de volume (~ 300 por cento) durante a litiação e a delitiação - carga e descarga - dificulta sua aplicação prática nas baterias.
Em eletrólitos líquidos convencionais, o uso de ligantes poliméricos é necessário para manter as partículas do material ativo no eletrodo juntas e manter sua adesão à superfície dos coletores de corrente de metal. A grande mudança repetida de volume de silício causa o isolamento de partículas, o que leva à perda do material ativo e uma perda de capacidade contínua resultante. Em células de estado sólido, o material ativo é colocado entre dois componentes sólidos, uma camada separadora de eletrólito sólido e coletor de corrente de metal. Na verdade, conforme relatado anteriormente pela equipe de pesquisadores do NIMS, os filmes de silício puro depositados por pulverização catódica que fornecem capacidades de área práticas superiores a 2,2 mAh / cm 2 , exibem excelente estabilidade de ciclo e capacidades de descarga de alta taxa em eletrólitos sólidos. Apesar disso, A síntese econômica e industrialmente escalável do ânodo para baterias de lítio totalmente sólidas continua sendo um grande desafio.
A equipe de pesquisadores do NIMS adotou outra abordagem de síntese para ânodos de alto desempenho para baterias de lítio totalmente em estado sólido com nanopartículas de silício comerciais. Eles descobriram um fenômeno único com as nanopartículas na célula de estado sólido:após a litiação, eles sofrem expansão de volume, compactação estrutural, e coalescência apreciável no espaço confinado entre a camada separadora de eletrólito sólido e o coletor de corrente de metal para formar um filme contínuo, semelhante ao preparado pelo processo de evaporação. O ânodo composto de nanopartículas preparadas por deposição de spray, portanto, exibe excelente desempenho do eletrodo, o que foi observado anteriormente apenas para eletrodos de filme depositados por pulverização catódica. O método de deposição de spray é econômico, técnica atmosférica que pode ser usada para produção em larga escala. Portanto, as descobertas abrirão o caminho para a produção de baixo custo e em larga escala de ânodos de alta capacidade para uso em baterias de lítio totalmente em estado sólido.
Os esforços contínuos dos pesquisadores do NIMS para melhorar a ciclabilidade no ânodo estão em andamento para atender aos requisitos dos veículos elétricos.
