锂离子电池多孔硅负极材料的绿色制备

In this project, self-supporting, doped and undoped porous silicon in a large scale will be synthesized via a green chemical route, a low-temperature magnesiothermic reaction. The kinetics involved in the reaction will be explored. The microstructure of porous silicon will be tailored by controlling the reaction parameters(e.g., time, temperature). Surface of porous silicon will be further modified by metallic coatings(e. g., nickel, copper) through electroless plating. We will study the performance of above tailored porous silicon as anode materials for Li-ion battery, reveal the the mechanisms how its microstructure, doping and coating influence the electrochemical performance of porous silicon, and finally obtain ways to improve its performance. The project will provide experimental basis for research and development of high performance Li-ion battery anode materials.

利用超低温（～500 C）镁热还原法大量绿色制备自支撑的、掺杂/非掺杂的多孔硅材料；探索和研究镁热反应所涉及的动力学过程；通过反应参数（如时间和温度）的调节来调控多孔硅材料的微结构；利用化学镀方法对多孔硅表面实现金属 （如镍和铜）包覆；研究该多孔硅材料的嵌/脱锂特性和性能退化机制，揭示多孔硅微结构、掺杂及其包覆层对材料电化学性能的影响规律，最终获得改善多孔硅负极材料的有效方法，为研制和开发高性能锂离子电池负极材料提供实验基础。

本项目针对锂离子电池高比容量负极材料——硅在充放电过程中体积变化较大，导致电极结构不稳，影响其循环稳定性等问题，提出和实现了通过镁热还原氧化硅结合酸腐蚀制备出多孔硅用于高性能锂离子电池负极材料。这主要是因为多孔硅材料中的孔结构能容纳嵌锂过程中的体积膨胀，减小应力效应；也有利于离子扩散，提高硅电极材料的倍率性能。同时，实现了硅材料的纳米化，提高活性材料的利用率。最终改善了硅材料整体电化学性能。在四年的研究中，取得以下主要进展：（1）以稻壳中获得的纳米二氧化硅为反应物，通过在650oC的镁热还原反应，成功制备了多孔硅材料，从而获得了一种可持续制备用于锂离子电池的多孔硅负极材料的方法；（2）以一氧化硅为反应物，进一步降低镁热还原反应温度至500oC，获得多孔硅材料，并通过控制反应温度和时间实现了对多孔硅孔结构的调控。进一步讨论了多孔硅材料中微结构对电化学性能的影响；（3）针对硅负极材料中的体积效应导致循环性能差的问题，设计和实现了对多孔硅颗粒碳的整体包覆，从而提高了多孔硅材料的循环性能；（4）将镁热还原反应推广至石墨烯材料的合成，从而获得了绿色制备石墨烯的方法。并且，获得的石墨烯材料具有较好的储锂性能。项目从总体来说，实现了多孔硅材料的镁热还原法制备，揭示了微结构和碳包覆对多孔硅材料电化学性能的影响规律，获得了改善多孔硅负极材料有效方法，为研制和开发高性能锂离子电池负极材料提供实验基础。.研制的整体包覆碳层的多孔硅负极材料在1A/g的比电流下经200次循环后能保持1639 mAh/g的比容量。实现了项目的预定目标：在较大的比电流下，经50次循环后能保持1500 mAh/g的比容量。在项目执行过程中共发表6篇和接受待发表1篇SCI论文，其中包括Nano Research，Journal of Materials Chemistry A, Chemical Communications, Electrochimica Acta等杂志论文。在项目执行期间，授权和申请国内发明专利各1项。满足项目的结题要求。