中國和德國科學家用蘆葦制備鋰電池硅基負極材料

近日，中國科學院能量轉換材料重點實驗室、中國科學技術大學化學與材料學院材料系余彥教授課題組與德國馬普固體研究所合作的科研團隊，發明了一種用蘆葦制備鋰離子電池三維硅負極材料的方法，打破了此前僅能用復雜的化學步驟合成硅的技術難關，為開發新一代鋰離子電池提供了更多可能。

當前的鋰離子電池主要以石墨及改性石墨為負極材料，但其372 毫安時/克的理論比容量難以滿足電動車的長里程需求。相比之下，擁有較高理論比容量(4200 毫安時/克) 的硅基負極材料成為下一代鋰離子電池負極材料領域的研究熱點。此次余彥教授課題組創新性地采用了蘆葦作為制備的原材料，不僅簡化了工藝，而且降低了成本。

該方法主要基于鎂熱還原，從天然蘆葦葉上還原出密集的三維多孔氧化硅(SiO2)。蘆葦葉作為骨架，在其上產生的副產物氧化鎂(MgO)作為孔的雛形。

和當前一些制備納米結構硅基負極的方法相比，此種基于蘆葦的制法具有以下優勢：

(1)蘆葦葉為可再生材料；

(2)還原產生的硅保持了蘆葦葉中原有的三維納米結構，這種結構有利于提升負極性能，因為它可以減緩負極的粉末化；

(3)方法簡單易行；

(4)無需使用昂貴的硅起始原料或反應試劑。

用此方法制備負極時，蘆葦葉中原有的硅酸鹽的拓撲結構神奇地得到了保持，在一系列物理化學處理規程中沒有受到分毫的破壞。在對干蘆葦葉純化的過程中，其內部的三維結構會收縮，中孔網絡能夠保持完好，哪怕是之后的碳化過程都不會改變它。

據研究人員介紹，鎂熱還原有兩個優點：第一，它能夠保持蘆葦葉中原有的硅的結構；第二，對氧化鎂添加物的腐蝕可以使內孔密度進一步增加。這兩點輔以其后在硅電極上進行的碳層包裹，可以極大地提升鋰離子電池負極的電化學性能，比如大的可逆容量、高充放電的電流密度、優異的循環性能。最后，蘆葦作為一種天然材料，為高性能鋰離子電池今后的大規模投產提供了可能。