米乐m6官方网站[理事长中钵良二]（以下简称“AIST”）先进涂层技术研究中心[研究中心主任 Jun Akedo] 能源应用材料研究团队首席研究员 Mikito Mamiya 和研究团队负责人 Junji Akimoto 正在通过在导电基材上气相沉积的方式开发纳米级材料一氧化硅 (SiO)在其上形成薄膜导电助剂是层压的。这种叠层结构的电极的充放电特性相当于目前主流石墨负极容量（372mAh/g）的约5倍，理论容量2007 mAh/g 几乎相同。此外，所开发的电极即使在充放电超过200次循环后仍保持其容量，表明其具有高容量和长寿命的特性。新开发的电极有望提高负极的能量密度，有利于锂离子二次电池的更高容量和更小尺寸。
该技术的详细信息将于 2018 年 11 月 27 日至 29 日在大阪府国际会议中心（大阪市）举行的第 59 届电池研讨会上公布。
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| 传统电极和新开发电极的结构示意图 |
用于智能手机和电动汽车的锂离子二次电池市场正在迅速扩大，根据市场研究公司预测，2021年将增长到4万亿日元的规模，约为2015年规模的两倍。随着市场的扩大，人们正在积极开展开发工作，以提高电池的性能和安全性。在负极方面，硅基负极被认为是最有前途的下一代负极，因为它的理论容量比传统石墨高出几倍到十倍，并且具有优异的供应稳定性。其中，与通用石墨负极（372mAh/g）相比，一氧化硅预计具有2007mAh/g的理论容量。使用目前的涂覆方法制造的一氧化硅电极也表现出约1200mAh/g的容量，但容量的循环劣化问题仍然存在，并且仅一氧化硅尚未投入实际使用。另一方面，采用一氧化硅和石墨混合物的电极已经开发出来，容量在800mAh/g左右的产品已经开始出现在市场上，是石墨电极的两倍以上，但一氧化硅材料的原有性能尚未得到充分发挥。
AIST一直从材料化学的角度推动下一代二次电池的开发，并一直致力于正极、负极、固体电解质和其他电池组件的新材料的开发。一氧化硅的蒸气压高，在高温减压条件下容易气化，因此具有可以通过蒸镀在基板上形成一氧化硅薄膜的优点。然而，由于一氧化硅本身的导电率极低，因此没有直接使用一氧化硅的气相沉积薄膜作为电极的想法。这次，为了将其用作电极材料，我们一直在研究沉积条件和赋予导电性的工艺。
锂离子二次电池可以通过锂离子在正极和负极之间的移动来充电和放电（图1）。使用一氧化硅作为负极活性材料有望提高电池容量，但由于充放电过程中锂离子的吸收和释放，硅的体积变化超过300%，导致无法维持由活性材料、导电剂和粘合剂组成的电极结构，从而导致劣化。通过将粒径减小至300～500nm以下，可以抑制劣化，因此以改善劣化为目的，制作了一氧化硅薄膜。
电流收集器不锈钢。为了赋予导电性，在蒸镀一氧化硅膜上涂布炭黑和作为导电助剂的粘合剂的混合物，并进行干燥，由此制作导电助剂层。该电极具有在一氧化硅薄膜上层叠有导电助剂层的结构。
图2显示了所制造的电极的横截面电子显微照片。通过蒸镀得到的一氧化硅在不锈钢基板上形成厚度约80nm的薄膜。炭黑（导电添加剂）中的约50nm的颗粒结合在一起形成链，链的末端与一氧化硅薄膜接触。一氧化硅的膜厚比300nm更薄，据说具有抑制充放电引起的劣化的效果，并且确认了其具有微细的结构。
图3显示了使用该电极作为负极、锂(Li)作为正极的电池的充电/放电容量的逐周期变化。为了进行比较，我们还展示了由粒径为 10 µm 的传统一氧化硅粉末制成的电极和使用当前材料石墨制成的电极的电池的特性。使用粉末的电极随着循环显示出显着的容量劣化，而石墨电极没有显示出循环劣化，但具有372mAh/g的小容量。相比之下，本次开发的电极从第一次循环起就具有较大的容量，在随后的充放电过程中保持稳定的容量，并且即使在200次循环后仍表现出超过2000mAh/g的容量。从第2个循环到第200个循环容量维持率200 次循环时显示 978%库仑效率为994%，表明充放电过程中锂的吸收和释放是可逆进行的。此次获得的超过2000mAh/g的容量几乎与一氧化硅的理论容量2007mAh/g相符，表明组成电极的一氧化硅几乎全部可以用作电池的活性材料。
新开发的电极是基于一种新的想法而创建的，即将导电率低的一氧化硅的厚度减少到纳米尺寸，然后在其顶部分层导电添加剂层以确保导电性。薄膜厚度克服了循环劣化的问题，同时高效电极活性材料可以使用。
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图1使用新开发的负极的锂离子二次电池的示意图 锂离子电池是一种从外部施加电能的化学反应中提取电能的电池，锂离子从正极活性材料中释放并进入负极活性材料（充电），然后锂离子从负极活性材料中释放并进入正极活性材料（放电）。另外，能够以该循环反复使用的电池称为锂离子二次电池。 |
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图2新型层压电极的横截面电子显微照片 在不锈钢基板上沉积纳米级一氧化硅薄膜，作为导电剂的炭黑颗粒通过粘合剂连接并与一氧化硅薄膜接触。 |
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图3使用新开发的电极和传统电极制造的电池的充放电循环特性
制作了2032型纽扣电池并使用锂作为对电极当前值 01 C，在 25 ℃ 温度和电压范围 0-20 V 下评估。
当电极使用粒径为 10 µm 的粉末状 SiO 时，就会产生传统电极。 |
如图3所示，新开发的电极需要大容量来进行初始充电。这是不参与充放电的硅酸锂（Li4二氧化硅4)的反应，如果直接组装成电池，正极中的锂会被消耗，性能会下降。以后为了避免这个问题，我们会提前和锂反应预掺杂处理的电极将准备好与现有正极组合的电池，并进行实际使用的性能验证测试。我们还将考虑使用气相沉积方法和其他方法扩大规模。