中國和德國科學(xué)家用蘆葦制備鋰電池硅基負(fù)極材料

近日，中國科學(xué)院能量轉(zhuǎn)換材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院材料系余彥教授課題組與德國馬普固體研究所合作的科研團(tuán)隊(duì)，發(fā)明了一種用蘆葦制備鋰離子電池三維硅負(fù)極材料的方法，打破了此前僅能用復(fù)雜的化學(xué)步驟合成硅的技術(shù)難關(guān)，為開發(fā)新一代鋰離子電池提供了更多可能。

當(dāng)前的鋰離子電池主要以石墨及改性石墨為負(fù)極材料，但其372 毫安時(shí)/克的理論比容量難以滿足電動車的長里程需求。相比之下，擁有較高理論比容量(4200 毫安時(shí)/克) 的硅基負(fù)極材料成為下一代鋰離子電池負(fù)極材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。此次余彥教授課題組創(chuàng)新性地采用了蘆葦作為制備的原材料，不僅簡化了工藝，而且降低了成本。

該方法主要基于鎂熱還原，從天然蘆葦葉上還原出密集的三維多孔氧化硅(SiO2)。蘆葦葉作為骨架，在其上產(chǎn)生的副產(chǎn)物氧化鎂(MgO)作為孔的雛形。

和當(dāng)前一些制備納米結(jié)構(gòu)硅基負(fù)極的方法相比，此種基于蘆葦?shù)闹品ň哂幸韵聝?yōu)勢：

(1)蘆葦葉為可再生材料；

(2)還原產(chǎn)生的硅保持了蘆葦葉中原有的三維納米結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有利于提升負(fù)極性能，因?yàn)樗梢詼p緩負(fù)極的粉末化；

(3)方法簡單易行；

(4)無需使用昂貴的硅起始原料或反應(yīng)試劑。

用此方法制備負(fù)極時(shí)，蘆葦葉中原有的硅酸鹽的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)神奇地得到了保持，在一系列物理化學(xué)處理規(guī)程中沒有受到分毫的破壞。在對干蘆葦葉純化的過程中，其內(nèi)部的三維結(jié)構(gòu)會收縮，中孔網(wǎng)絡(luò)能夠保持完好，哪怕是之后的碳化過程都不會改變它。

據(jù)研究人員介紹，鎂熱還原有兩個優(yōu)點(diǎn)：第一，它能夠保持蘆葦葉中原有的硅的結(jié)構(gòu)；第二，對氧化鎂添加物的腐蝕可以使內(nèi)孔密度進(jìn)一步增加。這兩點(diǎn)輔以其后在硅電極上進(jìn)行的碳層包裹，可以極大地提升鋰離子電池負(fù)極的電化學(xué)性能，比如大的可逆容量、高充放電的電流密度、優(yōu)異的循環(huán)性能。最后，蘆葦作為一種天然材料，為高性能鋰離子電池今后的大規(guī)模投產(chǎn)提供了可能。