Composite anode with silicon nanostructure suitable for all-solid-state batteries

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19K05685
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 36020:Energy-related chemistry
• Research Institution: Osaka Research Institute of Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: Yamamoto Mari 地方独立行政法人大阪産業技術研究所, 森之宮センター, 電池材料研究室長 (20416332)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 加藤 敦隆 地方独立行政法人大阪産業技術研究所, 森之宮センター, 研究員 (40826161) ; 高橋 雅也 地方独立行政法人大阪産業技術研究所, 森之宮センター, 研究フェロー (90416363)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: シリコン / ファイバー / 多孔質 / 全固体電池 / 硫化物系固体電解質 / 界面維持 / ナノポーラスシリコン / ネットワーク構造

Outline of Final Research Achievements

We have developed an anode composite with a network structure of nanoporous silicon fibers. The nanoporous silicon fibres were fabricated by a combination of electrospinning and magnesiothermic reduction, which are inexpensive and easy to scale up. The total pore volume of the nanoporous silicon fibres can accommodate a volume change corresponding to a capacity of 1635 mAh g-1. Therefore, the interface with the surrounding SE and AB can be maintained as there is little volume change to the outside of the fibers. The fiber structure can easily form a Li+ diffusion and electron conduction network in the anode composite, contributing to improved silicon utilization and compensation of partial interface delamination.

Free Research Field

電池

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

硫化物系固体電解質を用いた全固体電池は高い安全性や高出力特性を有することから電気自動車用の大型蓄電池への応用が期待されている。現状の黒鉛負極を１０倍の比容量をもつシリコンに代えると電池の重量エネルギー密度は２倍になると試算される。しかし、シリコンは充放電時に400％体積変化し、サイクル安定性が低下する。本研究ではナノポーラスシリコンファイバーを用いネットワーク構造を形成した負極複合体を創製し、その充放電特性や界面維持について調査した。ナノポーラス構造とファイバー構造の組み合わせにより、界面維持やイオン・電子伝導経路の構築が可能となり、サイクル安定性が向上することを示した。