中南大学周向阳、杨娟团队提出低成本高硅负极开发制备新方法

发布时间: 2024-08-10 15:02:47 浏览次数 : 636 来源:中南大学

本网讯近日，中南大学冶金与环境学院周向阳教授、杨娟教授团队在国际顶级期刊《能源与环境科学》(Energy & Environmental Science)上发表了题为《强晶粒持续钉扎强化的纳米晶硅稳定储锂》(Stable lithium storage with strong-grain sustained pinning-reinforced nanocrystalline silicon)的研究成果，为低成本高硅负极的开发和应用提供了新思路、新方法。中南大学博士生胡挺杰为论文第一作者，中南大学、英国帝国理工学院、湖南宸宇富基新能源新能源科技有限公司为上述成果的共同完成单位，中南大学为第一署名单位和唯一通讯单位。

高理论容量(4200mAh/g)硅负极在高比能锂离子电池与固态电池中显现出了巨大应用前景，但其充、放电过程中的体积效应(体积膨胀>300%)严重阻碍了规模化应用进程。传统理论认为，无定型态硅更有利于舒缓体积效应、制备出性能良好的硅负极，人们也基于此开发了以多孔碳与硅烷为原料、通过CVD法制备硅基负极的工程化技术，但由于大孔容多孔碳价格高以及硅烷使用中的安全与环保等问题，导致该法的制造成本居高不下。

为了降低硅基负极制造成本，选用来源广泛且价格低廉的晶态硅原料具有重要的研究价值，但晶态硅在充放电循环中的结构稳定性问题是关键难点。周向阳教授、杨娟教授团队利用经典的热处理工艺、基于晶硅产业废料首次打造了一种具有缺陷(堆积层错、纳米孪晶和莫尔晶)持续钉扎强化纳米晶粒的高机械性能纯硅负极，硅负载量高达80wt%负极、以0.8A/g的电流循环300圈、依然保留有1983.9 mAh/g的可逆容量，为低成本高硅负极的开发和应用提供了新思路和新方法。一系列扫描电镜电极结构成分分析、球差透射电镜晶体结构表征和大规模LAMMPS分子动力学模拟成功展示了缺陷的生成、演化和循环中的持续钉扎强化对晶态硅力学结构的作用，充分地从机理上肯定了强化晶态硅的优势。目前，研发团队以廉价晶硅原料制备出了公斤级高性能缺陷强化硅基负极，受益于来源广泛与价格低廉的晶硅原料，以及高效简便且易于放大的制备过程，该技术显示出了良好的社会和经济效益。

缺陷持续钉扎强化纳米晶硅的物理特性和储锂表现