Un nuovo studio condotto dai ricercatori del NIMS rivela che negli elettroliti solidi, un anodo di silicio composto solo da nanoparticelle di silicio commerciale preparate mediante deposizione spray presenta eccellenti prestazioni dell'elettrodo, che è stata precedentemente osservata solo per elettrodi a film preparati mediante processi di evaporazione. Il metodo è conveniente, tecnica atmosferica, e il suo nuovo risultato suggerisce quindi che è possibile una produzione a basso costo e su larga scala di anodi ad alta capacità per l'uso in batterie al litio a stato solido.

Il silicio ha una capacità teorica di ~4, 200mAh/g, che è circa 11 volte superiore a quella della grafite comunemente usata come materiale anodo-attivo nelle batterie commerciali agli ioni di litio. La sostituzione della tradizionale grafite con il silicio può estendere significativamente l'autonomia per carica dei veicoli elettrici. Però, il suo enorme cambiamento di volume (~ 300 percento) durante la litiazione e la delitiazione - carica e scarica - ostacola la sua applicazione pratica nelle batterie.

Negli elettroliti liquidi convenzionali, l'uso di leganti polimerici è necessario per tenere insieme le particelle di materiale attivo nell'elettrodo e mantenere la loro adesione alla superficie dei collettori di corrente metallici. Il ripetuto enorme cambiamento di volume del silicio provoca l'isolamento delle particelle, che porta alla perdita del materiale attivo e alla conseguente perdita continua di capacità. Nelle celle allo stato solido, il materiale attivo è posto tra due componenti solidi, uno strato separatore di elettrolita solido e un collettore di corrente metallico. Infatti, come riportato in precedenza dal team di ricercatori NIMS, i film di silicio puro depositati mediante sputtering offrono capacità areali pratiche superiori a 2,2 mAh/cm ² , mostrano un'eccellente stabilità del ciclo e capacità di scarica ad alta velocità in elettroliti solidi. Ciò nonostante, la sintesi economica e scalabile a livello industriale dell'anodo per batterie al litio a stato solido rimane una grande sfida.

Il team di ricercatori NIMS ha adottato un altro approccio di sintesi verso anodi ad alte prestazioni per batterie al litio a stato solido con nanoparticelle di silicio commerciali. Hanno trovato un fenomeno unico con le nanoparticelle nella cella a stato solido:dopo la litiazione, subiscono espansione di volume, compattazione strutturale, e un'apprezzabile coalescenza nello spazio ristretto tra lo strato separatore di elettrolita solido e il collettore di corrente metallico per formare un film continuo, simile a quello preparato dal processo di evaporazione. L'anodo composto da nanoparticelle preparate per deposizione spray mostra quindi eccellenti prestazioni dell'elettrodo, che è stato precedentemente osservato solo per elettrodi a film depositati mediante sputtering. Il metodo di deposizione a spruzzo è un metodo conveniente, tecnica atmosferica che può essere utilizzata per la produzione su larga scala. Quindi, i risultati apriranno la strada alla produzione a basso costo e su larga scala di anodi ad alta capacità da utilizzare nelle batterie al litio a stato solido.

Sono in corso gli sforzi continui dei ricercatori del NIMS per migliorare la ciclabilità nell'anodo per soddisfare i requisiti dei veicoli elettrici.