Des chercheurs de l'Université de technologie de Toyohashi ont réussi à fabriquer un phosphure d'étain sans liant (Sn 4 P 3 )/carbone (C) électrode à film composite pour batteries lithium-ion par dépôt par aérosol. Le Sn 4 P 3 Les particules /C ont été solidifiées directement sur un substrat métallique par consolidation par impact, sans appliquer de liant. Les stabilités de cycle de charge et de décharge ont été améliorées à la fois par le carbone complexé et par la fenêtre de potentiel électrique contrôlée pour l'extraction du lithium. Cette découverte pourrait aider à réaliser des batteries lithium-ion avancées de plus grande capacité.

Les batteries lithium-ion (Li-ion) sont largement utilisées comme source d'alimentation dans les appareils électroniques portables. Ils ont récemment attiré une attention considérable en raison de leur potentiel d'utilisation à grande échelle comme source d'alimentation pour les véhicules électriques et les véhicules électriques hybrides rechargeables, et en tant que systèmes de stockage d'énergie stationnaires pour les énergies renouvelables. Pour réaliser des batteries Li-ion avancées avec une densité d'énergie plus élevée, des matériaux d'anode avec une capacité plus élevée sont nécessaires. Bien que quelques alliages de Li tels que Li-Si et Li-Sn, dont la capacité théorique est très supérieure à celle du graphite (capacité gravimétrique théorique =372 mAh/g), ont été largement étudiés, ils se traduisent généralement par une mauvaise stabilité en cyclage du fait de la grande variation de volume lors des réactions de charge et de décharge.

Phosphure d'étain (Sn 4 P 3 , capacité gravimétrique théorique =1255 mAh/g) avec une structure en couches, généralement utilisé comme matériau d'anode à base d'alliage de grande capacité pour les batteries Li-ion, a un potentiel de fonctionnement moyen de - 0,5 V par rapport à Li/Li ⁺ . Des rapports indiquent que la complexation de matériaux carbonés avec du Sn nanostructuré 4 P 3 les particules améliorent considérablement la stabilité du cycle. Généralement, les électrodes utilisées dans les batteries sont fabriquées en enrobant une suspension comprenant des matériaux actifs d'électrode, additifs de carbone conducteurs, et des liants sur feuilles métalliques. Pour le carbone complexé Sn 4 P 3 (Sn 4 P 3 /C) les anodes (telles que celles rapportées dans la littérature), la fraction pondérale des matériaux actifs dans une électrode est diminuée d'environ 60 à 70 % en raison de l'utilisation de quantités importantes d'additifs conducteurs et de liants pour obtenir un cyclage stable. Par conséquent, la capacité spécifique gravimétrique par poids d'électrode (y compris celles des additifs et liants de carbone conducteur) est diminuée de manière significative.

Chercheurs au Département de génie électrique et électronique de l'information, Université de technologie de Toyohashi, ont fabriqué avec succès un Sn sans liant 4 P 3 /C Electrode à film composite pour anodes de batteries Li-ion par dépôt par aérosol (AD). Dans ce processus, le Sn 4 P 3 les particules sont complexées avec du noir d'acétylène à l'aide d'un simple procédé de broyage à billes ; le Sn obtenu 4 P 3 Les particules /C sont ensuite solidifiées directement sur un substrat métallique par consolidation par impact sans ajouter d'autres additifs ou liants conducteurs. Cette méthode permet d'améliorer la fraction de Sn 4 P 3 dans le composite à plus de 80 %. Par ailleurs, le changement structurel de l'électrode composite est réduit et la stabilité du cycle est améliorée à la fois pour le carbone complexé et la fenêtre de potentiel électrique contrôlée pour la réaction d'extraction du lithium. Le Sn 4 P 3 Le film composite /C fabriqué par le procédé AD maintient des capacités gravimétriques d'environ 730 mAh g -1 , 500 mAh g -1 , et 400 mAh g -1 à 100 e , 200 e , et 400 e cycles, respectivement.

Le premier auteur Toki Moritaka est cité comme disant :« Bien que l'optimisation des conditions de dépôt ait été difficile, informations utiles sur l'amélioration de la stabilité en cyclisme du Sn 4 P 3 Une électrode à film composite /C fabriquée par le procédé AD a été obtenue. Le carbone complexé fonctionne non seulement comme un tampon pour supprimer l'effondrement des électrodes causé par la grande variation de volume de Sn 4 P 3 , mais aussi comme chemin de conduction électronique parmi les particules de matière active atomisées dans le composite."

"Ce processus est un moyen efficace d'augmenter la valeur de capacité par poids d'électrode. Nous pensons qu'il est possible d'améliorer les performances électrochimiques par la taille et la teneur du carbone dans Sn 4 P 3 /C utilisé dans la fabrication de films composites par le procédé AD. Nous essayons maintenant d'optimiser la teneur en carbone complexé et d'augmenter l'épaisseur du film composite, " cite le professeur agrégé Ryoji Inada.

Les résultats de cette étude peuvent contribuer à la réalisation de batteries Li-ion avancées de plus grande capacité. De plus, car non seulement Li mais Na peuvent également être stockés et extraits de Sn 4 P 3 par des réactions d'alliage et de désalliage similaires, le Sn 4 P 3 L'électrode peut être utilisée dans les batteries Na-ion de nouvelle génération à des coûts bien inférieurs.