日本产综研开发出大容量不劣化的锂电负极

新技术 2018年12月01日
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日本产业技术综合研究所(简称“产综研”)新开发出了一种锂离子二次电池使用的负极,其结构是,在导电性基板上蒸镀形成纳米级一氧化硅(SiO)薄膜,然后在该薄膜上层叠导电助剂。拥有这种积层结构的电极的充放电特性优异,容量约为目前主流的石墨负极(372mAh/g)的5倍,与一氧化硅的理论容量2007mAh/g基本一致。另外,新开发的电极在反复充放电200多次后,容量依然没有变化,确认具备大容量、长寿命的特性。利用此次开发的电极有望提高负极的能量密度,推动锂离子二次电池实现大容量化和小型化。

相关技术详情在2018年11月27~29日于大阪府立国际会场(大阪市)举行的第59届电池研讨会上公开。

日本产综研开发出大容量不劣化的锂电负极

图1:老式电极与此次新开发的电极结构示意图

锂离子二次电池通过锂离子在正负极之间的移动来进行充放电(图2)。采用一氧化硅作为负极活性物质有望实现电池的大容量化,但由于在充放电过程中吸收和释放锂离子会使硅的体积出现300%以上的变化,所以由活性物质、导电助剂和粘结剂构成的电极无法维持结构,从而导致劣化。将粒径缩小至300-500nm以下便能抑制劣化,因此产综研制作了一氧化硅薄膜,改善了劣化。

日本产综研开发出大容量不劣化的锂电负极

图2:采用此次开发的负极的锂离子二次电池概略图

研究人员在作为集电体的不锈钢上蒸镀了一氧化硅。为了使其具备导电性,在蒸镀形成的一氧化硅膜上涂覆在碳黑中加入粘结剂并使之分散制成的混合溶液,然后进行干燥,制作了导电助剂层。新开发的电极采用在一氧化硅薄膜上层叠导电助剂层的结构。

图3是此次制作的电极的截面的电子显微镜照片。通过蒸镀获得的一氧化硅在不锈钢基板上形成了膜厚约为80nm的薄膜。导电助剂碳黑的颗粒尺寸约为50nm,凝结成链状,边缘与一氧化硅薄膜相接。经确认,一氧化硅的膜厚不到300nm,结构实现了微细化。研究人员认为300nm的厚度对充放电造成的劣化有抑制效果。

日本产综研开发出大容量不劣化的锂电负极

图3:新开发的积层电极的截面电子显微镜照片

采用该电极作为负极、锂(Li)作为正极的电池,经过不同次数的充放电循环后,其容量变化如图4所示。另外,为进行比较,图中显示了两种采用不同电极的电池特性,分别是利用粒径为10μm的一氧化硅粉末制作的老式电极,以及采用现行材料石墨制作的电极。粉末电极随着充放电循环次数的增加,容量劣化非常明显,石墨电极未出现循环劣化,但容量比较小,只有372mAh/g。

日本产综研开发出大容量不劣化的锂电负极

图4:采用此次新开发的电极和老式电极制作的电池的充放电循环特性

制作了2032型纽扣电池单元,正极采用锂,在电流值为0.1C、温度为25℃、电压范围为0-2.0V的条件下进行评测。老式电极采用的是粒径为10μm的粉末SiO。

而此次的电极,从第一次循环充放电开始就能获得大容量,在之后的充放电中容量也保持稳定,经过200次充放电后依然维持了2000mAh/g以上的容量。第二次充放电至第200次充放电之间的容量维持率为97.8%,充放电200次之后的库伦效率为99.4%。这表明,在充放电过程中,锂的吸收和释放是可逆的。此次获得的2000mAh/g以上的容量与一氧化硅的理论容量2007 mAh/g基本一致,也就是说,构成电极的一氧化硅几乎全部能作为电池活性物质使用。

此次开发的电极采用全新的创意制作,将导电性较低的一氧化硅的膜厚减至纳米级别,然后在上面层叠导电助剂层来确保导电性,通过减薄厚度克服了充放电循环劣化的问题,同时还能有效利用电极活性物质。

文 客观日本编辑部

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