近日，中國(guó)科學(xué)院過程工程研究所在熱等離子體制備硅納米線負(fù)極材料上取得新進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)每小時(shí)公斤級(jí)量產(chǎn)，且制備的電池容量和壽命都達(dá)到較高標(biāo)準(zhǔn)，與碳材料復(fù)合后循環(huán)1000次的容量仍有2000mAh/g，為硅碳負(fù)極材料的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展提供了新思路。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在ACSNano上。

目前傳統(tǒng)的石墨負(fù)極材料，理論比容量只有372mAh/g，無法滿足當(dāng)前對(duì)電池高容量、高性能的需求。硅材料因其較高的比容量最有望成為下一代負(fù)極材料，但硅在充放電過程存在體積膨脹嚴(yán)重、導(dǎo)電性差等問題，將硅材料納米化是一個(gè)有效的途徑，而批量和高效的制備納米硅就成為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的重要技術(shù)基礎(chǔ)，也是當(dāng)前面臨的難題。

過程工程所功能粉體材料團(tuán)隊(duì)多年來致力于高頻感應(yīng)熱等離子體的物理化學(xué)過程研究和熱等離子體裝置研發(fā)，開展了等離子體制備特種粉體材料及工業(yè)化應(yīng)用研究。據(jù)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、研究員袁方利介紹，研究團(tuán)隊(duì)依托自主研制的高頻感應(yīng)熱等離子體裝置，通過等離子體高溫氣化成核、可控生長(zhǎng)制備了形貌均勻的直徑約為50nm的硅納米球，相關(guān)工作相繼發(fā)表于J.Mater.Chem.A,2015,3,18136(DOI:10.1039/c5ta04620c)，NanoEnergy,2016,24,111-120(DOI：10.1016/j.nanoen.2016.04.014)。

副研究員侯果林介紹，在研究等離子體制備納米硅時(shí)發(fā)現(xiàn)，等離子反應(yīng)器中冷熱程度不同，獲得的產(chǎn)物具有不同的形貌和結(jié)構(gòu)，研究團(tuán)隊(duì)通過引入熱壁反應(yīng)器，延長(zhǎng)顆粒生長(zhǎng)時(shí)間等，成功批量制備了硅納米線，并進(jìn)一步對(duì)硅納米線與碳進(jìn)行組裝，制備了多尺度緩沖的碳包覆硅納米線團(tuán)。線團(tuán)中有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，為硅納米線在嵌鋰過程中的體積膨脹提供空間，能夠承受一定的外力而保證結(jié)構(gòu)不被破壞，與理論計(jì)算結(jié)果一致，為穩(wěn)定的循環(huán)性能提供了結(jié)構(gòu)保障。

此次實(shí)現(xiàn)高頻熱等離子體制備納米硅線每小時(shí)超公斤級(jí)的量產(chǎn)，為基于納米硅的硅碳負(fù)極材料工業(yè)應(yīng)用提供了基礎(chǔ)和指導(dǎo)。相關(guān)工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金和北京市自然科學(xué)基金的支持。

硅-碳納米線團(tuán)的合成和表征示意圖