高エネルギーリチウムイオン電池を長持ちさせるシンプルなコーティング

シリコンは、現在使用されているグラファイトよりもはるかに多くのエネルギーを蓄えることができるため、将来のリチウムイオン電池にとって魅力的な負極（アノード）材料です。ただし、シリコンは充電および放電中に大幅に膨張および収縮します。この繰り返しの膨張により、バッテリーの電極に亀裂が入り、内部での接触が失われ、急速に劣化するため、バッテリーの寿命と安全性が大幅に制限されます。

新しい研究、 出版された で 化学工学ジャーナルは、シリコンとグラファイトの複合陽極を保護するための簡単なコーティングを開発しました。コーティングは一般的なポリマー (PVDF) 小さな酸化マグネシウム (MgO) 粒子と混合されており、標準的な工業プロセスを使用して適用できます。

重要な発見は、コーティングを塗布するタイミング (製造中に電極が機械的に圧縮される前) が良好な性能を達成するために重要であるということです。最適化されたコーティングで製造されたバッテリーは、コーティングされていないバッテリーよりもはるかに長く持続しました。数百回の充放電サイクル後でも、コーティングされたバッテリーは元の容量のほとんどを保持し、非常に効率的に動作しました。対照的に、コーティングされていないバッテリーは、はるかに早く性能を失いました。コーティングされた電極は、急速充電中のパフォーマンスも向上し、 放電中。

顕微鏡観察により、コーティングが機能する理由が説明されます。保護がないとシリコン電極が過度に膨張し、亀裂や内部損傷が発生します。 PVDF-MgO コーティングはこの膨張を大幅に軽減し、電極構造を無傷に保ち、良好な電気的接触を維持します。さらに、MgO 粒子は、バッテリー内でのリチウムの移動と堆積の制御に役立ち、危険なリチウムが蓄積するリスクを軽減します。

「この研究は、製造の適切な段階で適用されるシンプルで低コストのコーティングが、高エネルギーリチウムイオン電池の寿命、信頼性、安全性を大幅に改善できることを示しています。このアプローチは実用的であり、既存の電池製造方法と互換性があるため、現実世界の応用に有望です」と共著者であり、国立台湾大学化学工学の特別教授であるNae-Lih Wu博士は述べています。