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中国科大低温合成硅纳米 易应用于锂电池负极材料

导读: 近日,中国科学技术大学钱逸泰课题组发展了一种在200℃熔盐体系中,采用金属Al或Mg还原二氧化硅或硅酸盐制备纳米硅材料的方法。将该材料应用于锂离子电池负极材料,展示出优异的电化学性能。

  一直以来,利用廉价的二氧化硅或硅酸盐制备硅材料都需要较高的反应温度。目前工业上采用的方法依然是高温碳热还原法(>1700℃),所制备的硅大都为块材,难以应用于锂离子电池负极材料。2007年至今,650℃条件下镁热还原二氧化硅是主要的制备纳米硅材料的方法,但该方法条件苛刻,容易产生副产物Mg2Si,且产率较低。铝热还原二氧化硅因产生惰性的Al2O3,需高于铝的熔点,700℃以上的高温反应才能进行。

  近日,中国科学技术大学钱逸泰课题组发展了一种在200℃熔盐体系中,采用金属Al或Mg还原二氧化硅或硅酸盐制备纳米硅材料的方法。将该材料应用于锂离子电池负极材料,展示出优异的电化学性能。该研究成果发表在《能源环境科学》上(Energy Environ. Sci.,2015,8,3187-3191),论文的第一作者为课题组的博士生林宁。

  该工作是钱逸泰课题组熔盐体系中用金属镁还原四氯化硅(SiCl4 + Mg + AlCl3)制备硅纳米材料(Angew. Chem. Int. Ed. 2015,54,3822)的拓展性工作,但此次报道的工作因采用二氧化硅及各种硅酸盐为硅源,原料更加易得、价格便宜,更易放大,该工作的实用性更加显著。另外,该工作可以用价格更加便宜的金属Al为还原剂,反应中生成AlOCl,解决了长期以来铝热反应中生成惰性的Al2O3而使反应无法低温下进行的问题,促进了反应在低温下的持续进行。

中国科大低温合成硅纳米 易应用于锂电池负极材料

  该方法适用于还原各种二氧化硅粉体和含硅酸盐的原料如玻璃纤维、分子筛等,以及矿物如钾长石、硅藻土和生物矿物质等,而且产率能达到70%以上。对本低温熔盐的反应机理深入研究发现,AlCl3熔盐能够直接参与到该金属热还原过程。Mg和Al参与的还原反应分别为:4Al + 3SiO2 +2AlCl3= 3Si +6AlOCl,2Mg + SiO2 +6AlCl3= 2MgAl2Cl8 + 2AlOCl + Si,该反应体系中的副产物AlOCl极易处理。将铝热还原硅酸盐制备的纳米硅用于锂离子电池负极材料测试表明,在3 A/g的电流密度下循环1000圈,可逆比容量保持870 mAh/g,且首圈库仑效率高于80%,并具有很好的倍率性能。

  上述研究得到了国家自然科学基金的资助。

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