朱嘉教授课题组在低纯硅领域取得进展

现代工程与应用科学学院朱嘉教授课题组在低纯硅领域进一步取得进展,实现以低纯硅为原材料制备纳米级多孔硅颗粒,并成功应用在锂离子电池负极,该研究成果(Precise Perforation and Scalable Production of Si Particles from Low-Grade Sources for High-Performance Lithium Ion Battery Anodes)发表在《纳米快报》(DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b03567)。

  

纳米多孔硅制备示意图

  

 众所周知,为了应对电子便携设备及电动汽车的发展需求,研究并发展高性能的锂离子电池尤为关键。而在锂离子电池的研究中,开发新的电极材料又成为提高电池性能的重中之重。就负极而言,硅因为其巨大的储量和超高的理论比容量(4200 mAh/g,相当于现在商业化石墨负极的十倍左右)成为了世界各研究组的研究重点,被认为是下一代最理想的负极材料之一。然而硅作为负极其问题也很严重,如在电池循环中,硅会经历4倍左右的体积膨胀变化从而导致电极容易粉碎化,电池失效等,所以限制了其性能的提高。
近年来,随着纳米材料制备技术的发展,一批研究者制备合成出了不同结构的纳米硅负极,例如:硅纳米线,硅纳米管,多孔硅纳米颗粒等,而其中多孔硅纳米颗粒因为其最适合传统的涂覆工艺而成为了硅负极商业化的有力竞争者。但是现在使用的一些多孔硅纳米颗粒的合成制备工艺较为复杂,成本较高,能耗较大,这些严重制约了其大规模生产和应用。

该课题组着眼于工业生产中的低纯度硅源(金属硅:纯度为99%),通过简单的球磨,退火(歧化反应)和酸处理的工艺,最终得到多孔硅颗粒。并且通过控制实验条件,能够精确调控多孔硅的孔隙率(从17%70%)。同时多孔化硅颗粒运用在锂离子电池的负极方面,能够缓解其在嵌锂时发生的体积膨胀,获得了很好的循环及倍率性能。

       整个过程简便且大大降低了成本,为大规模生产硅颗粒,制备硅负极提供了新思路,并且也为硅在光伏,热电领域的制备合成提供了新方法。该论文的通讯作者是南京大学现代工程与应用科学学院朱嘉教授,第一作者是匡亚明学院理科强化班本科生宗麟奇,该研究成果得到了国家重点基础研究项目,国家自然科学基金创新群体项目和江苏省优势学科建设项目资助。朱嘉教授课题组自成立以来,围绕着工业粗硅的再利用展开了一系列研究,结果已陆续发表在PNAS, Nano Letters等国际主流期刊上,受到业内的广泛关注。