リチウムイオン電池のシリコン電極の構造変化に関するリアルタイムNMR調査
Baris Key1, Rangeet Bhattacharyya, Mathieu Morcrette
1Department of Chemistry, SUNY at Stony Brook, Stony Brook, New York 11794-3400, USA.
Journal of the American Chemical Society
|March 21, 2009
まとめ
リチウムイオン電池のシリコンアノドは,放電中に構造変化を起こします. エレクトロライトによる反応により自己放電が起こりますが,カルボキシメチルセルロース結合剤はこのプロセスを遅らせます.
科学分野:
- マテリアルサイエンス 材料科学
- 電気化学 電気化学について
- 固体化学 固体化学
背景:
- シリコンアノドは,リチウムイオン電池 (LIB) のための高容量を提供します.
- 最初のリチウム挿入時の構造の変化は,性能分析を複雑にします.
- これらの変化を理解することは,バッテリー技術の改善の鍵です.
研究 の 目的:
- 動作するLIBの最初の放電サイクル中のシリコンアノドの局所的な構造変化を調査する.
- シリコンベースのLIBにおける自己排出の背後にあるメカニズムを特定する.
- カーボキシメチルセルロース (CMC) 結合剤の自己放電に対する効果を評価する.
主な方法:
- 静的,in situ,およびマジックアングルサンプル回転 ex situ 7Li 核磁気共振 (NMR) スペクトロスコピーの組み合わせを使用しました.
- 結晶シリコンに電気化学的にリチウムを挿入した時の構造的進化を分析した.
- 機能的なLIB環境内で観察された反応.
主要な成果:
- 最初の放電は,孤立したSi原子とSi-SiクラスターがLiマトリックスで形成される.
- これらのクラスターは,放電の終わりまでに孤立したSi原子に分解されます.
- In situ NMRは,リチウムシリシドと電解質の間の自発的な反応を明らかにし,自己放電を引き起こしました.
- カーボキシメチルセルロース結合剤は,この自己排出の速度を大幅に低下させた.
結論:
- シリコンの初期リチア化は,構造的な大きな再編成と反応性リチウムシリシドの形成につながります.
- リチウムシリシドとの電解質反応は,シリコンアノドの自己放電と容量の減少の主な原因です.
- 結合剤としてCMCを使用すると,自己放電が軽減され,より安定したシリコンベースのLIBへの道が開きます.
