為了解決硅在充放電過(guò)程中不穩定的問(wèn)題，人們一直在尋找更加有效的方法以緩解這種現象。鎂熱還原是一種常用的還原方法。通過(guò)鎂熱還原法可以由二氧化硅制備納米硅，實(shí)現了使用地球上豐富的反應物制備納米Si的可能性。已經(jīng)有研究用該方法制備出納米硅材料，電化學(xué)性能得到改善，但是該方法有一個(gè)缺點(diǎn)，就是反應溫度高，導致產(chǎn)生Mg2Si等副產(chǎn)物。雖然后來(lái)也有在熔融的AlCl3中進(jìn)行，以降低反應溫度，但在該方法中需要大量的無(wú)水熔融鹽，這對于隨后的分離是沉重的負擔。
最近，北京大學(xué)的研究者們提出了一種“活性球磨”法，解決了以往制備硅時(shí)出現的操作復雜，雜質(zhì)含量高的問(wèn)題，所得材料表現出極具優(yōu)勢的電化學(xué)性能。
圖1. 球磨納米二氧化硅制備疏水性膠體納米硅的示意圖；（a）SiO2的TEM圖像；（b）納米Mg的SEM圖；（c）疏水性納米Si上層與含有MgCl2的透明水溶液清楚分離；在一批（d）中可以以?5g的規模獲得納米Si的干粉。（e）為了比較，常規的酸洗和離心形成的高度混濁液。
研究人員通過(guò)對這種經(jīng)典反應的改善，更有效地制備出了納米Si。使用Mg納米顆粒作為還原劑，以機械研磨代替高溫條件。此外，通過(guò)表面官能化將納米Si以疏水性膠體的形式分離，使納米Si顆粒的損失最小化。研究小組用乙氧基官能化納米Si，做成優(yōu)異的分散體，可以通過(guò)這樣就可以使硅很好的分散在溶劑中，輕松地實(shí)現了表面碳涂層前驅體包覆。碳涂層包覆納米Si表現出優(yōu)異的鋰儲存性能，與現有技術(shù)的Si基負極材料相當。當電流密度為2.1A/g時(shí)，500次循環(huán)后的可逆容量仍高達1756mAh/g。
圖2. （a）納米硅碳化示意圖。（b-g）碳含量為21 wt％的納米Si@C樣品結構表征：（b）XRD圖，（c，d）SEM圖像，（e）粒度分布，（f，g）TEM和HRTEM圖像。
圖3. 納米SiC樣品的電化學(xué)性能。（a）前三個(gè)周期的CV曲線(xiàn)；（b）電流密度為0.1A/g時(shí)的充放電曲線(xiàn)；（c）電流密度為0.1A/g時(shí)的循環(huán)性能。（d）電極倍率性能；（e）電流密度為2.1A/g時(shí)的循環(huán)性能。在（c-e）中，前三個(gè)循環(huán)以0.1A/g進(jìn)行測試。
總的來(lái)說(shuō)，研究人員對該方法提出了兩點(diǎn)改進(jìn)：
●通過(guò)球磨法代替高溫反應條件，減少副反應
●納米Si與1-戊醇反應以疏水膠體的形式分離，減少Si顆粒的損失。
這些結果表明，具有良好鋰儲存性能的納米Si可以大量制備，并且原料豐富、操作簡(jiǎn)單。這為下一代高性能、低成本鋰離子電池硅基負極的開(kāi)發(fā)提供了新的借鑒。
資料來(lái)源：能源學(xué)人
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