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

目前傳統(tǒng)的石墨負極材料，理論比容量只有372mAh/g，無法滿足當前對電池高容量、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極材料，但硅在充放電過程存在體積膨脹嚴重、導電性差等問題，將硅材料納米化是一個有效的途徑，而批量和高效的制備納米硅就成為實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的重要技術(shù)基礎(chǔ)，也是當前面臨的難題。

過程工程所功能粉體材料團隊多年來致力于高頻感應熱等離子體的物理化學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)化應用研究。據(jù)團隊負責人、研究員袁方利介紹，研究團隊依托自主研制的高頻感應熱等離子體裝置，通過等離子體高溫氣化成核、可控生長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發(fā)現(xiàn)，等離子反應器中冷熱程度不同，獲得的產(chǎn)物具有不同的形貌和結(jié)構(gòu)，研究團隊通過引入熱壁反應器，延長顆粒生長時間等，成功批量制備了硅納米線，并進一步對硅納米線與碳進行組裝，制備了多尺度緩沖的碳包覆硅納米線團。線團中有豐富的孔隙結(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。

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

硅-碳納米線團的合成和表征示意圖