现代工程与应用科学学院朱嘉教授课题组在锂离子电池负极材料取得进展

  现代工程与应用科学学院朱嘉教授课题组在对锂离子电池纳米颗粒硅负极的合成制备的研究中取得进展,该研究成果(Scalable Production of Si Nanoparticles Directly from Low Grade Sources for Lithium-ion Battery Anode)于2015年8月10日发表在《纳米快报》(DOI:10.1021/acs.nanolett.5b01698)上。
  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,硅纳米颗粒,硅纳米管等,而其中硅纳米颗粒因为其最适合传统的涂覆工艺,方便进行二次结构的设计合成等原因成为了硅负极商业化的有力竞争者。但是现在使用的一些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。
  为了低成本并且方便的获得硅纳米颗粒负极,该课题组着眼于工业生产中的粗硅源(铁硅,金属硅),通过高能球磨的方法控制时间及转速获得不同尺寸的硅颗粒(大至100 um,小至100 nm),系统研究了两种不同硅源作为电极的优势(铁硅自身可抑制循环中的膨胀,金属硅有更高的容量及导电性),并且在以制得的100 nm左右的颗粒作为电极材料时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,为大规模生产硅纳米颗粒,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朱斌和金艳,项目研究得到了国家重点基础研究项目,国家自然科学基金和江苏省优势学科资助。
两种不同硅源的制备及循环示意图。
 
(现代工程与应用科学学院 朱斌 科学技术处)