Imágenes de microscopio electrónico de barrido de emisión de campo de sección transversal (FE-SEM) del ánodo de Si preparado, compuesto de nanopartículas depositadas por pulverización en un colector de corriente de acero inoxidable y el ánodo en el estado de carga completa. Crédito:NIMS
Un nuevo estudio dirigido por investigadores del NIMS revela que en los electrolitos sólidos, un ánodo de silicio compuesto solo por nanopartículas de silicio comerciales preparadas por deposición por pulverización exhibe un excelente rendimiento del electrodo, lo cual se ha observado anteriormente solo para electrodos de película preparados mediante procesos de evaporación. El método es rentable, técnica atmosférica, y su nuevo resultado sugiere, por lo tanto, que es posible una producción a gran escala y de bajo costo de ánodos de alta capacidad para su uso en baterías de litio totalmente de estado sólido.
El silicio tiene una capacidad teórica de ~ 4, 200 mAh / g, que es aproximadamente 11 veces más alto que el del grafito comúnmente utilizado como material activo en el ánodo en las baterías comerciales de iones de litio. Reemplazar el grafito tradicional por silicio puede extender significativamente el rango de manejo por carga de los vehículos eléctricos. Sin embargo, su enorme cambio de volumen (~ 300 por ciento) durante la litiación y la destitución (carga y descarga) dificulta su aplicación práctica en las baterías.
En electrolitos líquidos convencionales, es necesario el uso de aglutinantes poliméricos para mantener juntas las partículas de material activo en el electrodo y mantener su adhesión a la superficie de los colectores de corriente metálicos. El gran cambio de volumen repetido de silicio provoca el aislamiento de partículas, lo que conduce a la pérdida del material activo y la consiguiente pérdida continua de capacidad. En celdas de estado sólido, el material activo se coloca entre dos componentes sólidos, una capa separadora de electrolitos sólidos y un colector de corriente metálico. De hecho, como informó anteriormente el equipo de investigadores del NIMS, las películas de silicio puro depositadas por pulverización catódica ofrecen capacidades de superficie prácticas que superan los 2,2 mAh / cm 2 , exhiben una excelente estabilidad cíclica y capacidades de descarga de alta velocidad en electrolitos sólidos. Sin embargo, La síntesis rentable y escalable industrialmente del ánodo para baterías de litio totalmente de estado sólido sigue siendo un gran desafío.
El equipo de investigadores del NIMS ha adoptado otro enfoque de síntesis hacia ánodos de alto rendimiento para baterías de litio totalmente de estado sólido con nanopartículas de silicio comerciales. Encontraron un fenómeno único con las nanopartículas en la celda de estado sólido:tras la litiación, experimentan expansión de volumen, compactación estructural, y coalescencia apreciable en el espacio confinado entre la capa separadora de electrolito sólido y el colector de corriente de metal para formar una película continua, similar al preparado por el proceso de evaporación. El ánodo compuesto de nanopartículas preparadas por deposición por pulverización presenta, por tanto, un excelente rendimiento del electrodo, que se ha observado anteriormente solo para electrodos de película depositados por pulverización catódica. El método de deposición por aspersión es rentable, técnica atmosférica que se puede utilizar para la producción a gran escala. Por eso, Los hallazgos allanarán el camino para la producción a gran escala y de bajo costo de ánodos de alta capacidad para su uso en baterías de litio totalmente de estado sólido.
Se están realizando esfuerzos continuos de los investigadores del NIMS para mejorar la ciclabilidad en el ánodo para cumplir con los requisitos de los vehículos eléctricos.
