中國(guó)科大低溫合成硅納米鋰離子電池負(fù)極材料

  一直以來(lái)，利用廉價(jià)的二氧化硅或硅酸鹽制備硅材料都需要較高的反應(yīng)溫度。目前工業(yè)上采用的方法依然是高溫碳熱還原法（>1700℃），所制備的硅大都為塊材，難以應(yīng)用于鋰離子電池負(fù)極材料。2007年至今，650℃條件下鎂熱還原二氧化硅是主要的制備納米硅材料的方法，但該方法條件苛刻，容易產(chǎn)生副產(chǎn)物Mg₂Si，且產(chǎn)率較低。鋁熱還原二氧化硅因產(chǎn)生惰性的Al₂O₃，需高于鋁的熔點(diǎn)，700℃以上的高溫反應(yīng)才能進(jìn)行。

　　近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)錢(qián)逸泰課題組發(fā)展了一種在200℃熔鹽體系中，采用金屬Al或Mg還原二氧化硅或硅酸鹽制備納米硅材料的方法。將該材料應(yīng)用于鋰離子電池負(fù)極材料，展示出優(yōu)異的電化學(xué)性能。該研究成果發(fā)表在《能源環(huán)境科學(xué)》上（Energy Environ. Sci., 2015,8, 3187-3191），論文的第一作者為課題組的博士生林寧。

　　該工作是錢(qián)逸泰課題組熔鹽體系中用金屬鎂還原四氯化硅(SiCl₄ + Mg + AlCl₃)制備硅納米材料(Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 3822)的拓展性工作，但此次報(bào)道的工作因采用二氧化硅及各種硅酸鹽為硅源，原料更加易得、價(jià)格便宜，更易放大，該工作的實(shí)用性更加顯著。另外，該工作可以用價(jià)格更加便宜的金屬Al為還原劑，反應(yīng)中生成AlOCl，解決了長(zhǎng)期以來(lái)鋁熱反應(yīng)中生成惰性的Al₂O₃而使反應(yīng)無(wú)法低溫下進(jìn)行的問(wèn)題，促進(jìn)了反應(yīng)在低溫下的持續(xù)進(jìn)行。

　　該方法適用于還原各種二氧化硅粉體和含硅酸鹽的原料如玻璃纖維、分子篩等，以及礦物如鉀長(zhǎng)石、硅藻土和生物礦物質(zhì)等，而且產(chǎn)率能達(dá)到70%以上。對(duì)本低溫熔鹽的反應(yīng)機(jī)理深入研究發(fā)現(xiàn)，AlCl₃熔鹽能夠直接參與到該金屬熱還原過(guò)程。Mg和Al參與的還原反應(yīng)分別為：4Al + 3SiO₂ +2AlCl₃= 3Si +6AlOCl，2Mg + SiO₂ +6AlCl₃= 2MgAl₂Cl₈ + 2AlOCl + Si，該反應(yīng)體系中的副產(chǎn)物AlOCl極易處理。將鋁熱還原硅酸鹽制備的納米硅用于鋰離子電池負(fù)極材料測(cè)試表明，在3 A/g的電流密度下循環(huán)1000圈，可逆比容量保持870 mAh/g，且首圈庫(kù)侖效率高于80%，并具有很好的倍率性能。

    上述研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。