客观日本

东大开发加压电解预掺杂技术,可增加锂电容量

2020年03月02日 电子电气

东京大学研究生院理学系研究科西原研究室,研究了多种在组装二次电池之前使负极与锂发生反应(预掺杂)的实用方法。结果发现,如果在加压条件下对负极进行电化学预掺杂,能以大电流预掺杂至高浓度。这样一来,便有望以实用水平的处理速度削减不可逆容量。

此次的技术对含硅的高容量负极尤其有效。硅负极的理论容量为目前负极的10倍以上,且资源储量丰富,因此在很早以前就备受关注。但由于硅的不可逆容量较大,反复充放电会造成容量大幅减小,因此用途一直没有扩大。为含硅负极应用了此次的加压电解预掺杂技术后,装配好的二次电池的容量增加了20%,同时还抑制了充放电造成的容量下降。

图1比较了实施电化学预掺杂和未实施电化学预掺杂的硅负极分别搭配普通锂离子电池正极材料(LiNMC)构成的二次电池充放电时容量与电压的关系。结果显示,采用实施预掺杂的硅负极的二次电池,容量达到150Ah/kg,接近活性物质的设计值(158Ah/kg);而采用未实施预掺杂的硅负极的二次电池的容量为125Ah/kg,失去20%的容量。另外,未进行预掺杂的电池的容量在第五次充放电时就已降低15Ah/kg。这些结果表明,通过实施加压电解预掺杂,能提高二次电池的容量,并延长使用寿命。

东大开发加压电解预掺杂技术,可增加锂电容量

图1:采用硅负极和LiMNC正极的二次电池充放电曲线。

图中数字为充放电循环次数。实线:实施加压电解预掺杂的硅负极;虚线:未实施预掺杂的硅负极

图2是实施了电化学预掺杂的硅负极的透射型显微镜照片。硅颗粒表面通过电化学预掺杂形成了SEI层。在加压条件下实施预掺杂的硅负极形成了含Li2CO3的岛状SEI,据推测是电解液与添加材料的反应生成物,而在未加压条件下实施预掺杂的硅负极主要含Li2O。这表明,通过加压能形成高品质的SEI。另外,利用超高速MAS固体核磁共振测量(7Li MAS NMR)及X射线衍射测量(XRD)发现,实施加压电解预掺杂的电极能生成稳定的Li15Si4,表明锂的掺杂偏向于硅中。由此可以认为,实施加压电解预掺杂可以获得可反复充放电不易劣化的电极。

东大开发加压电解预掺杂技术,可增加锂电容量

图2:实施预掺杂的硅负极的透射型显微镜照片。

左:加压电解预掺杂

右:非加压电解预掺杂

论文信息
题目:High-energy, Long-cycle-life Secondary Battery with Electrochemically Pre-doped Silicon Anode
期刊:《Scientific Reports》
DOI编号:10.1038/s41598-020-59913-4

日文发布全文

中文:JST客观日本编辑部编译

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