熔盐电解法制备硅纳米材料及其电化学性能的研究

纳米二氧化硅熔盐电解是一种新型的电解冶金过程，应用于硅纳米线和其他纳米结构硅材料的制备是一个全新的研究方向，由于具有过程简单、产物纯度高、产量大等特点，极具规模化生产和发展的前景。本项目拟研究纳米二氧化硅熔盐电解制备硅纳米线的技术设计和工艺条件，电解过程中中间产物的组成和结构的形成与演变规律，明确硅纳米线的电化学成核与生长机理；探索熔盐电解制备硅纳米管、纳米多孔硅、含金属复合纳米硅等纳米硅材料的制备技术，实现硅纳米线的结构可控制备和其他纳米结构硅材料的合成；同时，研究硅纳米线、纳米多孔硅、含金属复合硅纳米线等不同纳米结构硅材料在充放电过程中组成和结构的变化，明确硅纳米材料电化学性能与纳米结构之间的关系。本项目的实施将实现熔盐电解法制备硅纳米线理论和方法上的突破，为发展熔盐电解法制备硅纳米线和其他纳米结构硅材料的低成本新技术和硅纳米材料在锂离子电池中的应用奠定基础。

本项目采用纳米二氧化硅为原料烧结制备多孔电极，在CaCl2熔盐中直接电解制备硅纳米线。研究了纳米二氧化硅电极制备工艺，分析了制备硅纳米线的工艺条件；在分析纳米二氧化硅与熔盐相互作用和电解过程中间产物的基础上，提出了硅纳米线的电化学生长机理；本项目还研究了直接熔盐电解制备硅纳米管、硅纳米颗粒等其他结构的硅纳米材料。具体研究结果如下：.1、以纳米二氧化硅烧结多孔体为阴极，在900℃的CaCl2熔盐中不同电位下进行恒电位电解实验；对恒电位电解产物进行XRD、FESEM和TEM分析，纳米二氧化硅在-1.00~-1.50V(vs Pt，以下同)电位范围内生成具有单晶结构的硅纳米线，当电位为-1.60V时产物为硅颗粒，在电位小于-1.60V时形成硅钙合金；分析了电解温度对形成硅纳米线的影响，在900℃下硅纳米线具有较好的特性形貌；在-1.20V下900℃的CaCl2熔盐中直接电解纳米二氧化硅制备硅纳米线，电解过程的电流效率可达80%以上。.2、采用FESEM、XRD和EDS分析了纳米二氧化硅烧结片在900℃的CaCl2熔盐中浸泡后结构和组成的变化，结果表明，由于纳米尺寸效应和CaCl2熔盐对二氧化硅的熔融(软化)具有助熔作用，纳米二氧化硅烧结片在900℃的CaCl2熔盐中由固态转变为熔融或半熔融态。根据对900℃的CaCl2熔盐中-1.2V恒压电解不同时间电极片上反应区的结构和组成分析结果，提出了纳米二氧化硅电极片的硅/熔融二氧化硅/熔盐三相界面沿极片径向方向均匀推进的电解还原过程。通过对900℃的CaCl2熔盐中-1.2V恒压电解5min和15min电解产物的形貌、结构和成份分析，提出了硅纳米线在熔盐中的电化学成核与生长机理。.3、研究了硅纳米线的电化学性能，结果表明，硅纳米线具有较好的电化学嵌脱锂特性，电解4h所制备的硅纳米线首次充电比容量达3212.1mAh/g，放电比容量1510.1 mAh/g，充放电效率为47%。.研究成果在国内外知名刊物上发表SCI&EI 论文11篇，申请专利14项，其中2项已授权。参加国际会议3次，国内会议1次。培养硕士研究生3名，博士研究生2名，博士后1名。