单根硅纳米线器件及其在锂离子电池原位检测中的应用

硅纳米线具有极高的比容量，是一种非常有应用潜力的锂离子电池阳极材料，但其锂离子电池的循环性能较差而没有得到实际应用，这被认为是其充放电过程中巨大的体积变化而导致。本项目将运用所建立的无损可控的微纳加工方法构建单根硅纳米线的器件，利用该器件实现锂离子电池充放电过程的原位监控。通过精确控制充放电电流和时间，系统研究充放电电量以及倍率对硅纳米线电导的影响。结合电镜观察，研究硅纳米线的体积膨胀与锂离子嵌入量之间的关系。表征硅纳米线电导、锂离子嵌入/脱嵌量及倍率之间的定量关系，建立相关的模型。通过选择不同掺杂浓度的硅片，制作不同电导率的硅纳米线，研究硅纳米线的电导随嵌入/脱嵌量变化的规律，研究锂离子充放电倍率对此变化规律的影响，探索研究电导与相关变化参数的定量关系，进一步验证所建模型的正确性。通过对锂离子电池充放电过程的原位监测，阐述硅材料锂离子电池循环性能差的原因并提出改进的方法。

近年来锂离子电池的发展非常迅速，我国由于治理环境污染发展清洁能源的需要，尤其加强了对电动车的普及，对锂电的研究更加重视。目前动力锂离子电池还存在容量低续航能力弱、倍率性能差不能大功率运行的问题。本项目着眼于一维材料器件的探索解决上述瓶颈问题，并研究相关方法的可行性及机制。纳米材料的容量与倍率受其电导限制，系列实验表明导电性的提高不仅可大幅提高倍率性能，还对容量的发挥有重要作用。项目初期开展了纳米材料器件电学特性的研究，包括采用电导率高的Si基片及纳米线掺杂等方法研究了如何提高纳米线的电导率，采用无损可控工艺构建出单根纳米线的晶体管并研究其电学性能。为了进一步证实这些研究结果，我们还制备了不同电导率的石墨烯复合材料，以及在集流体上原位生长纳米材料阵列，与集流体紧密接触具有较小的电阻，进一步证实了电导率的提高不仅可改进倍率性能，还有利于大容量的发挥，循环稳定性也能得到明显改进。