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今世工程与应用科学学院朱嘉教师课题组在硅纯

发布时间:2019-12-06 18:00编辑:环球彩票登录网址浏览(157)

    (现代工程与应用科学学院 科学技术处)

    现代工程与应用科学学院朱嘉教授课题组在硅纯化领域进一步取得进展,同时实现对低纯硅源的纯化和多孔化,并成功应用在能源存储领域,该研究成果(Simultaneous Purification and Perforation of Low-Grade Si Sources for Lithium-Ion Battery Anode)发表在《纳米快报》(DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b03932)。

    该进展报告首先介绍了硅负极的基本问题和解决方案,然后着重总结了硅负极应对商业化还需要解决的难题以及近年来的进展,主要包括首圈库伦效率,振实密度和材料成本三个方面,最后在全电池性能和能量密度方面对将来的工作进行了展望。纳米结构的硅负极解决了硅嵌锂时体积膨胀而引发的材料粉碎和不稳定的SEI的问题,提高了电化学循环性能。但是纳米结构的高比表面积导致首圈库伦效率低,振实密度和面积比容量低,同时纳米结构的制备工艺复杂,成本高,这些因素严重影响了硅负极的商业化。该文从二次结构设计,预嵌锂和电解液添加剂三个方面总结了首圈库伦效率方面的进展,从微米结构设计,导电粘结剂方面总结了振实密度以及面积比容量的提高,从低纯度硅和自然界硅源来降低材料成本。最后在全电池性能和能量密度方面对将来的工作进行了展望。

    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。

    众所周知,硅是信息科学和能源科学的一种重要材料,在电子器件集成电路,太阳能电池和锂离子电池等领域都有广泛的应用。不同的应用对硅纯度有不同要求,比如电子级和太阳能级硅纯度分别为99.99999999%和99.9999%,锂离子电池对硅纯度要求为99%。目前主要的生产工艺,包括改良西门子工艺和硅烷热分解生产多晶硅工艺,都涉及到高温高压以及对HCI和H2的大量消耗,工艺复杂,成本很高。

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    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。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,第一作者是现代工程与应用科学学院硕士研究生金艳同学,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。

    南京大学现代工程与应用科学学院朱嘉教授课题组应邀在Advanced Energy Materials上发表进展报告 “Challenges and recent progress in the development of Si anodes for lithium-ion battery” (DOI: 10.1002/aenm.201700715),对于近年来备受关注的锂离子电池硅负极进行了总结与展望。

    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。

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    (现代工程与应用科学学院 科学技术处)

    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。

    微米级硅颗粒纯化与多孔化的示意图

    随着电子便携设备及电动汽车的快速发展需求,研究并开发高性能的锂离子电池尤为关键。锂离子电池硅负极被认为是下一代最理想的负极材料之一,由于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),成为了科技界、产业界关注的焦点之一。

    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)。

    该课题组着眼于工业生产中的低纯度硅源,通过球磨和金属辅助化学刻蚀的方法,将微米级颗粒暴露在酸性溶液中,发生的化学刻蚀能够将低纯度硅中的杂质去除,将硅纯度从83.4%提升到99.4%,同时化学刻蚀将微米级硅颗粒变成多孔状。这些被纯化且多孔化的硅颗粒,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。

    现代工程与应用科学学院16级博士金艳为该文第一作者,南京大学现代工程与应用科学学院朱嘉教授和佐治亚理工(Georgia Institute of Technology)的Nian Liu教授为本文通讯作者,现代工程与应用科学学院鲁振达教授和朱斌博士给予该工作很大帮助。该工作得到了国家重点基础研究计划青年项目,国家自然科学基金委创新群体及面上项目,中央高校基本科研业务费专项基金,江苏省优势学科等项目的支持。

    纳米多孔硅制备示意图

    ( 现代工程与应用科学学院 科学技术处)

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