基于工业废料设计合成硅基复合材料及其储锂性能研究

Silicon is considered one of the most promising anode materials for high energy density lithium-ion batteries, owing to unique advantages such as high specific capacity, low charge/discharge potential, abundance and high safety. However, two problems, i.e. poor cycling stability and low initial coulombic efficiency, hinder its large-scale commercial application. To overcome these issues, a novel route to fabricate Si/SiO2 composite materials has been proposed in this project by using industrial waste as raw materials. The cycling performance of the Si/SiO2 anodes can be optimized via micro-/nanostructure design, introduction of buffer medium and compositional control. Furthermore, the lithium storage mechanism of SiO2 and physicochemical process during lithiation will be investigated in depth, thus developing an adjustable prelithiation method to accurately control the depth of lithiation. On these basis, full-cell systems with initial coulombic efficiency as high as 100% and high cycling stability can be realized. The implementation of this project will not only seek new ways to recycle silicon-based industrial waste in the foundry, construction and semiconductor industries with higher value and environmental benignity, but also pave the road for the practical application of silicon-based anodes in stationary energy storage and lithium-ion power batteries.

硅具有比容量高、充放电电位低、来源丰富和安全性高等诸多优点，被认为是最有应用潜力的高能量密度锂离子电池负极材料之一。然而，循环稳定性差和首次库伦效率低这两个问题一直制约着硅材料的大规模商业化应用。针对上述亟待解决的问题，本项目提出以工业废料作为锂离子电池负极合成原料的新思路，从中提取并制备Si/SiO2复合材料，通过微纳结构设计、缓冲层的引入和组分调控等途径改善体系的循环稳定性。在此基础上，深入研究SiO2的储锂机制和嵌锂过程中的物理化学变化，开发可控的预锂化方法精确控制嵌锂深度，得到首次库伦效率接近100%并且循环性能稳定的全电池体系。本项目的实施为铸造、建筑以及半导体等多个行业中产生的硅基工业废料寻求了具有更高价值和更绿色环保的回收利用新途径，对推动硅基负极材料在储能和动力电池领域的实用化具有重要的理论和实际意义。

硅作为典型的合金型锂离子电池负极材料具有很高的理论比容量，被认为是下一代动力电池负极材料的理想选择之一。本项目将硅基锂离子电池复合材料作为主要研究对象，以工业废料为原料，通过高能机械球磨法、可控的预锂化技术、镁热还原法等手段制备了一系列高性能的硅基复合材料。由于硅基复合材料独特的结构和组分上的优势，表现出了较好的电化学性能。本项目取得的研究成果主要包括：.(1)提出以工业废料作为硅基锂离子电池负极合成原料的思路，从中提取并制备Si/SiO2复合材料，通过微纳结构设计、缓冲层的引入和组分调控等途径改善体系的循环稳定性，并阐明了上述改性手段影响其储锂性能的物理化学机制。.(2)深入研究材料的储锂机制和嵌锂过程中的物理化学变化，开发可控的预锂化方法精确控制嵌锂深度，得到首次库伦效率高于90%并且循环性能稳定的全电池体系。在此基础上，制备的Si/SiO2团簇与石墨复合得到G/Si/SiO2三元复合材料，优化的材料和电极结构设计使该负极具有高循环稳定性、高密实度等特点。.(3)分别以石英砂废料、生物质竹叶和商业一氧化硅为原料，通过镁热还原法制备了多种三维多孔硅基复合材料，由于材料独特的结构和组分优势，上述材料均表现出长循环寿命、高比容量和优异的倍率性能；以商业化硅纳米颗粒为原料，通过刻蚀和碳包覆制备得到多孔Si@SiOx@C纳米颗粒，材料表现出较高的首次库伦效率和优异的循环稳定性。