三维硅-空气电池阳极的构建及其特性研究

Given the high energy density, ideal safety, compatibility to the Si-based techniques and neglectable cathode volume, the Si-air batteries have potential applications in micro/nano electro-mechanical systems (M/NEMS) and portable sources. The Si anode configuration is critical to the performance of Si-air batteries. In recent works, planar silicon wafers have been used as anodes; however, the discharge capacities of Si-air batteries are extremely limited by the low specific area. Meanwhile, further investigations of the interface regulation and discharge machanism of the anode should be conducted. This proposal will fabricate 3D Si-based micro/nano arrays as anodes of Si-air batteries and investigate the influence of the electrode configurations, protection of interfaces and doping to the electrochemical performances of Si-air batteries. Furthermore, the first-principle calculation and finite element analysis will be conducted to model the Si-air battery. That will be helpful to optimize the fabrication and improve the properties of the batteries. This proposal will help us to recognize the novel Si-based battery, broaden the applications of low-dimensional semiconductor materials, and provide strategies to research the integration of micro energy systems.

硅-空气电池，由于其能量密度较高、安全性能好、原材料来源广泛且能和硅基半导体工艺相兼容、阴极无需占用储存空间等优势，在微/纳机电系统、便携式电源等诸多领域具有重要的应用潜力。阳极结构和电池的性能有密切的联系，目前在硅-空气电池的研究中主要采用平面硅片，其比表面积较低，制约了硅-空气电池的实际放电容量；其阳极的界面调控和放电机理也仍需深入研究。本项目拟采用微纳加工技术制备三维硅基微纳阵列结构作为硅-空气电池阳极，通过电化学测试方法实现电极结构、界面保护、掺杂情况等影响因素对硅-空气电池放电特性的调控；结合第一性原理计算和有限元分析法构建三维硅-空气电池阳极模型，为实验上优化三维硅-空气电池的制备工艺、提高电池性能提供理论指导。通过该项目的研究，不仅能够加深对三维硅-空气电池这种新型能源系统的认识，拓宽低维半导体材料的应用领域，而且为解决微纳机电系统的能源集成问题提供有效的方法。

随着不可再生能源的局限性和对环境的压力日益增加，开发新型清洁能源在科学研究中至关重要。硅是一种普遍存在的元素，并且硅空气电池的能量密度高，是很有前途的能量转换技术之一。目前硅空气电池阳极的研究主要集中在平面裸露的硅片，在钝化和腐蚀等问题仍存挑战。本项目通过制备三维和复合阳极结构来解决上述问题从而提升硅空气电池的放电性能。我们在P和N型硅片上制备了硅纳米线，结果表明硅纳米线阳极比平面硅阳极的放电时间长，因为它们的比表面积更大，具有较好的抗二氧化硅钝化能力，通过调节放电电流密度和电解质浓度，最长放电时间可超过500小时。另外，我们采用金属有机片段材料对硅空气电池中的阳极进行保护，比容量可达到114mAhg-1，远高于裸硅的放电时间。在理论上，我们构建了硅阳极和钝化层原子模型，通过掺杂锗、铁、锌等原子可有效缓解钝化层在硅表面的吸附，改善了电极界面的I-V特性。本项目的实施为提高硅空气电池的综合性能提供了系统的实验数据与理论依据，为将来新型阳极的设计提供了重要的参考。