中國科大低溫合成硅納米鋰離子電池負極材料

中國粉體網訊  一直以來，利用廉價的二氧化硅或硅酸鹽制備硅材料都需要較高的反應溫度。目前工業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，難以應用于鋰離子電池負極材料。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，容易產生副產物Mg2Si，且產率較低。鋁熱還原二氧化硅因產生惰性的Al2O3，需高于鋁的熔點，700℃以上的高溫反應才能進行。

　　近日，中國科學技術大學錢逸泰課題組發展了一種在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。將該材料應用于鋰離子電池負極材料，展示出優異的電化學性能。該研究成果發表在《能源環境科學》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、價格便宜，更易放大，該工作的實用性更加顯著。另外，該工作可以用價格更加便宜的金屬Al為還原劑，反應中生成AlOCl，解決了長期以來鋁熱反應中生成惰性的Al2O3而使反應無法低溫下進行的問題，促進了反應在低溫下的持續進行。

　　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，以及礦物如鉀長石、硅藻土和生物礦物質等，而且產率能達到70%以上。對本低溫熔鹽的反應機理深入研究發現，AlCl3熔鹽能夠直接參與到該金屬熱還原過程。Mg和Al參與的還原反應分別為：4Al + 3SiO2 +2AlCl3= 3Si +6AlOCl，2Mg + SiO2 +6AlCl3= 2MgAl2Cl8 + 2AlOCl + Si，該反應體系中的副產物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極材料測試表明，在3 A/g的電流密度下循環1000圈，可逆比容量保持870 mAh/g，且首圈庫侖效率高于80%，并具有很好的倍率性能。

    上述研究得到了國家自然科學基金的資助。