日本东北大学和大阪大学利用硅屑开发锂离子电池的负极材料

新技术 2017年04月04日

日本东北大学多元物质科学研究所副教授西原洋知等人和大阪大学产业科学研究所副教授松本健俊等人的共同研究小组最近成功地利用制造硅片时废弃的硅屑研制出锂离子电池的负极材料。较当前常见的以石墨为负极材料制成的锂离子电池性能更高,且可实现量产,其实际应用备受期待。

锂离子电池内装有储存锂元素的正极材料和负极材料,充电时,锂元素在负极积存,放电时负极的锂元素向正极移动,从而在外部电路产生电流。目前,锂离子电池正极材料利用锂过渡金属氧化物,负极材料主要利用石墨,因其体积轻巧、能量密度(可存储的电能量)高,所以被用来作为智能手机等电子产品的电源。但是近年来,由于应用领域的扩大,市场要求能量密度能够有更进一步的提高,因此比石墨储存锂元素容量更大的硅作为素材受到了关注。

然而,硅存在着因反复充放电会快速老化的问题。另一方面,虽然知道联成一串的纳米(1纳米为10亿分之一米)大小的硅薄片或硅颗粒的构造体在反复充放电的过程中,因其多孔的特质会自动变成像揉皱的纸团似的褶皱状构造,变得不易老化,但是做成褶皱状构造的成本很高,所以至今未能实现实用化。

于是研究小组着眼于低价格、高纯度的废弃硅屑,专心从事了在充放电过程中可变成褶皱状构造的负极材料制造方法的开发。结果了解到,通过改变硅屑的粉碎方法,将硅屑制成厚约16纳米的薄片形状,硅屑就会在充放电的过程中变成褶皱状构造。并通过设法使其同碳复合以及对电极进行调整,使得负极材料即使重复充放电800次也能够维持平均每克每小时1200毫安的容量。这个容量相当于使用石墨时的容量的约3.3倍。据说,硅屑1年的产量约为9万吨,这个数量足够用来满足全球范围的负极材料的需求。(完)

褶皱状构造在显微镜下的照片。左侧为扫描型电子显微镜照片,右侧为透过型电子显微镜照片。

20170404_7.jpg

文/客观日本编辑部

新闻稿链接(日语)

http://www.tohoku.ac.jp/japanese/newimg/pressimg/tohokuuniv-press20170216_01web.pdf

相关阅读