热等离子法制备硅碳纳米复合材料机理研究

Attributing to the higher capacity of lithium storage, more stable of electrochemical performance, and abundance in raw material, silicon-carbon nanocomposites show its advantages in replacing graphite materials as the next generation of anode material of lithium-ion batteries. This proposal is aiming to overcome the lower silicon content by mechanical mixing process, and weaker adhesion between Si and C and lower conductivity of amorphous carbon derived by sol-gel process. To achieve controllable synthesis of silicon-carbon nanocomposites this proposal will employ the thermal plasma approach with the raw materials of high purity graphite and silicon powder derived from recycled solar grade silicon wafer sawing. The main research works include to explore the vaporization process of powder mixture raw materials and the formation of various structures of Si-C nanocomposites, to clarify the relationships between the nanocomposites structure evolution and kinetic parameters, and to propose alternative route of thermal plasma approach to prepare silicon-carbon nanocomposites for lithium batteries application.

硅碳纳米复合材料由于具有较高的储锂比容量和更稳定的电化学性能、原料来源丰富等优点，成为替代商业化石墨类材料作为下一代锂离子电池负极。本项目针对机械混合均匀性导致硅占比受限、湿法合成硅碳结合力弱且低温得非晶碳导电性及机械强度较弱等问题，以实现硅碳材料纳米化、复合化为研究导向，以太阳能级硅金刚线切割料和石墨作为硅碳原料，采用热等离子法开发提升硅占比、石墨化和硅碳结合力的硅碳纳米复合材料可控合成新技术。主要研究混合固体粉末原料在热等离子体中的气化规律和不同结构硅碳纳米复合材料的生成规律；厘清硅碳纳米复合材料各结构和形貌演变与热等离子法合成过程中的物料配比、进料方式、输入功率等可控参数之间的对应关系；建立热等离子法制备硅碳纳米复合材料技术路线，为锂离子电池用硅碳纳米复合材料的制备提供新的思路。

双碳背景下储能已成为支撑光伏、风电等新能源的核心技术。硅基负极材料由于具有较高的储锂比容量和更稳定的电化学性能、原料来源丰富等优点，已替代商业化石墨类材料作为新一代锂离子电池负极。本项目针对机械混合均匀性导致硅占比受限、湿法合成硅碳结合力弱且低温得非晶碳导电性及机械强度较弱等问题，采用热等离子一步法实现硅碳材料纳米化、复合化，实现了提升硅占比、石墨化和硅碳结合力的硅碳纳米复合材料可控合成。项目主要研究了硅碳纳米复合结构在直流热等离子体系中形核和生长规律，以及制备不同复合结构的关键因素。具体开展了固相进料行为与热等离子炬相互作用研究，实现了固相原料在热等离子炬中可控气化，实现了不同形貌硅碳纳米复合材料的可控制备；开展了冷却区域内产物形核生长机理研究，探明了不同硅碳纳米结构形核、生长及复合作用机理，获得了硅碳复合材料的微观形貌及结构演变与合成条件之间的关联性；开展了硅碳复合材料电化学性能测试，形成了适用于锂电负极用硅碳纳米复合材料可控制备新路线。建立起热等离子法制备硅碳纳米复合材料技术路线，为锂离子电池用硅碳纳米复合材料的制备提供新的思路。