由日本國立材料研究所研究人員領(lǐng)導(dǎo)的一項新研究表明，在固體電解質(zhì)中，僅由噴霧沉積法制備的工業(yè)硅納米顆粒組成的硅負極具有優(yōu)異的電極性能。該方法是一種成本效益高的大氣技術(shù)，因此研究人員的結(jié)果表明，不久將來將能夠低成本和大規(guī)模生產(chǎn)用于全固態(tài)鋰電池的大容量負極。

硅理論上的容量可達4200毫安／克，比起常用在商用鋰電上作活性負極材料的石墨容量要大10倍。用硅代替?zhèn)鹘y(tǒng)的石墨可以極大地延長電動汽車每次充電的行駛里程，但硅在鋰化和脫鋰，即充放電過程中會發(fā)生巨大的容量變化，這阻礙了其在電池中的實際應(yīng)用。

在傳統(tǒng)的液體電解質(zhì)中，需要使用聚合粘合劑來將電極中的活性物質(zhì)顆粒固定在一起，并且保持它們與金屬表面的附著力。硅不斷的容量變化會導(dǎo)致粒子分離，損失活性物質(zhì)，最后造成持續(xù)的容量損失。在固態(tài)電池中，活性物質(zhì)被置于兩個固態(tài)元件之間，即固態(tài)電解質(zhì)隔離層和金屬集電流器。濺射沉積的純硅薄膜的實際面積容量超過2．2mAh／cm2，在固體電解質(zhì)中表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性和高速率放電能力。盡管如此，全固態(tài)鋰電池負極的成本效益和工業(yè)可擴展性仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。

圖片來源：日本國立材料研究所

日本國立材料研究所團隊的研究人員已經(jīng)采用了另一種合成方法來獲得高性能的負極，用于商用硅納米顆粒的全固態(tài)鋰電池。他們發(fā)現(xiàn)納米粒子在固態(tài)電池中有一個獨特的現(xiàn)象：在鋰化后，它們在固態(tài)電解質(zhì)分離器層和金屬集電器之間的有限空間中進行體積膨脹、結(jié)構(gòu)壓實和明顯的聚結(jié)形成一個連續(xù)的膜，類似于蒸發(fā)法制備的膜。因此，由氣相沉積法制備的納米粒子組成的負極具有優(yōu)異的電極性能，這是以前只能在濺射沉積的薄膜電極上觀察到的。噴霧沉積法是一種經(jīng)濟有效的大氣技術(shù)，可用于大規(guī)模生產(chǎn)。

因此，這些發(fā)現(xiàn)將為低成本和大規(guī)模生產(chǎn)用于全固態(tài)鋰電池的大容量負極鋪平道路。