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郭孝東/吳振國(guó)AEM: 納米結(jié)構(gòu)硅負(fù)極的工業(yè)應(yīng)用制備進(jìn)展

對(duì)高能量密度鋰離子電池的迫切需求推動(dòng)了對(duì)具有超高理論容量的Si負(fù)極的研究，納米結(jié)構(gòu)Si的制備是工業(yè)應(yīng)用的第一步，因?yàn)樗薪鉀Q內(nèi)在問(wèn)題即鋰化/脫鋰過(guò)程中嚴(yán)重體積變化的潛力。然而，以可接受的成本和批量穩(wěn)定性實(shí)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)Si工業(yè)化生產(chǎn)仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

在此，四川大學(xué)郭孝東教授、吳振國(guó)副研究員等人重新審視了納米結(jié)構(gòu)Si的制備進(jìn)展，包括0D納米顆粒（Si-NPs）、1D納米線(xiàn)和納米管（Si-NWs和Si-NTs）、2D薄膜（Si-TF）和3D多孔結(jié)構(gòu)（P-Si）等四類(lèi)。

在簡(jiǎn)要介紹了納米結(jié)構(gòu)Si市場(chǎng)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，介紹了各種納米結(jié)構(gòu)Si的制備方法及相應(yīng)的進(jìn)展，包括球磨法、鎂熱還原法、模板法、化學(xué)氣相沉積法和化學(xué)蝕刻法，并從機(jī)理、成本、技術(shù)成熟度和最新發(fā)展等方面對(duì)上述技術(shù)進(jìn)行了全面的總結(jié)和比較。最后，對(duì)納米結(jié)構(gòu)Si制備向工業(yè)化發(fā)展的方向進(jìn)行了深入探討。

圖1. 高能球磨法制備Si-NPs的示意圖及性能研究

作者總結(jié)了幾類(lèi)Si納米材料的未來(lái)發(fā)展：

（1）Si-NPs是目前市場(chǎng)上主要的Si納米材料，如何高效合成均勻可控的Si-NPs是其發(fā)展方向。此外，在產(chǎn)業(yè)化方面，降低能耗、提高生產(chǎn)效率、擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模是關(guān)鍵問(wèn)題。

（2）Si-NWs和Si-NTs的制備工藝流程比Si-NPs的制備工藝流程更復(fù)雜、成本更高，未來(lái)應(yīng)用應(yīng)作為少量添加劑添加到負(fù)極材料中以改善材料性能。

（3）Si-TF與固態(tài)電解質(zhì)具有良好的適應(yīng)性，且固態(tài)電池是未來(lái)的重要發(fā)展方向。

（4）P-Si顯示出巨大的應(yīng)用潛力，要實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，納米微結(jié)構(gòu)的調(diào)控和低成本的大規(guī)模制備是關(guān)鍵。

圖2. 化學(xué)蝕刻制備多孔Si/SiO_x NWs的示意圖及性能研究

Revisiting the Preparation Progress of Nano-Structured Si Anodes toward Industrial Application from the Perspective of Cost and Scalability, Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202102181

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