中國粉體網6月19日訊  目前廣泛使用的商業鋰離子電池負極材料主要為石墨，其理論容量為372mAh/g，并且開發已接近理論值，很難適應未來大容量、高功率、低成本的化學電源的需求，如電動汽車和電網調峰儲能等等。因此，大量研究瞄準硅基負極材料，因為它具有極高的理論儲鋰容量(4200mAh/g)，被認為是最有希望取代目前石墨的下一代負極材料。但是由于硅基材料在充放電過程中發生巨大的體積變化，導致電池在循環過程中電極材料會發生破裂、粉化、結構崩塌等缺點，加上硅的導電性能很低，致使不可逆容量較高、循環穩定性較差。目前研發工作主要集中在納米、薄膜、多孔、合金、復合等結構的硅基負極材料，但是這些材料的制備方法普遍存在成本高、工藝復雜、設備要求苛刻、批量生產困難等問題，難以規模化量產。最近，中國科學院過程工程研究所蘇發兵研究員領導的能源催化與多孔材料課題組開發了一種可規模化制備多孔硅復合負極材料的方法，研究結果發表在《德國應用化學》期刊(Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 5165-5169)。


多孔硅/碳復合材料制備過程示意圖(a)，SEM圖(b)及循環性能(c)

　　他們借鑒有機硅單體合成工業過程，以工業硅粉和氯甲烷為原料，通過有機硅行業廣泛使用的Rochow反應，利用多種銅基催化劑在溫和條件下制備出多孔硅/碳復合材料，通過簡單后處理工藝得到硅/碳復合負極材料。電化學測試表明，在循環100周之后仍然保持了1000mAh/g左右的容量。同時制備過程中副產的多種有機硅單體可作為有機硅材料的原料，銅催化劑可回收利用。目前我國有機硅單體產量每年約200萬噸，消耗的硅粉原料約50萬噸。若將有機硅單體生產過程設備與多孔硅材料的制備相結合，控制合適的生產工藝條件，將有望解決多孔硅/碳復合負極材料的低成本規模化制備的問題。該制備工藝過程和負極材料已獲得發明專利授權(利用硅與鹵代烴催化反應制備多孔硅材料的方法，ZL201010146666.X;一種鋰離子電池硅基負極復合材料及其制備方法，ZL201110268147.5)。

　　此外，他們利用有機硅主要單體二甲基二氯硅烷作為硅源和碳源，通過化學氣相沉積的方法，對商業化石墨負極材料進行表面改性，得到了性能優良的硅/碳復合負極材料(Journal of Materials Chemistry A 2013, 1, 4483-4489);利用單體合成中的廉價液相副產物一甲基三氯硅烷作為硅源和碳源，通過化學氣相沉積的方法，直接得到了高容量的硅/碳納米球形復合負極材料(Nanoscale 2013, 5, 5384-5389，Nanoscale 2014, 6, 371-377);利用有機硅工業生產中的含硅固體殘渣，經過提銅純化后，與商業石墨負極材料復合，制備了性能優良的硅/碳復合負極材料(Journal of Power Sources 2013, 228, 112-119)。該課題組同時在有機硅單體合成使用的銅基催化劑的制備與廢銅催化劑的回收利用等方面也做了大量工作，發表了多篇文章，并申請了系列國家發明專利，詳見課題組網頁(http://cpme.mpcs.cn/)。最近，他們又以廉價軟碳材料(炭黑、石油焦、針狀焦等)和硅粉(商業納米硅粉、廢觸體提取的硅粉)等為原料，通過噴霧成球并高溫處理，得到多種微球復合負極材料，并申請了國家發明專利(201310053208.5、201310108230.5、201310214417.3)，部分研究結果將陸續發表。

　　上述部分材料將進入放大生產試驗，相關研究得到了中科院百人計劃、國家自然科學基金、中科院院地合作局、多相復雜系統國家重點實驗室和相關合作企業的資助。