慶應(yīng)義塾大學(xué)研究用于電池的環(huán)保納米顆粒

慶應(yīng)義塾大學(xué)研究人員在《納米選擇》雜志上報告了一項創(chuàng)新技術(shù)，該技術(shù)使硅廢料能夠通過利用激光照射的高效、可持續(xù)的方法回收到電池陽極材料中。預(yù)計該結(jié)果將在半導(dǎo)體制造和能源相關(guān)行業(yè)有廣泛的應(yīng)用。

在全球社會脫碳努力的背景下，電池是一項關(guān)鍵技術(shù)。具體來說，科學(xué)家們正在努力提高鋰離子電池的容量和壽命。實現(xiàn)這一目標(biāo)的一種方法是將陽極材料從碳轉(zhuǎn)換為硅。后者原則上會導(dǎo)致更大的電池容量。然而，硅陽極是有問題的，因為它們在充電時容易膨脹，最終導(dǎo)致電池壽命短。作為折衷方案，目前正在研究硅碳 (Si-C) 復(fù)合材料作為負(fù)極材料。具體而言，稱為“Si-C 核殼納米粒子”的結(jié)構(gòu)已顯示出前景。這促進(jìn)了對此類顆粒的有效生產(chǎn)方法的需求。

在這項研究中，慶應(yīng)義塾大學(xué)的Jiwang Yan及其同事開發(fā)了一種單設(shè)備、單步工藝，可在短時間內(nèi)以低成本生產(chǎn) Si-C 納米結(jié)構(gòu)。該方法涉及激光照射，并可能導(dǎo)致一整類 Si-C 功能納米材料的可持續(xù)制造。

激光照射方法需要專門準(zhǔn)備的目標(biāo)。Yan 及其同事首先混合微米級的 Si 和 C 粉末。硅粉是由硅片研磨過程中產(chǎn)生的廢物污泥制成的，而對于碳含量，則使用市售的石墨粉。然后將 Si-C 粉末混合物壓制成片劑。平板目標(biāo)被激光照射，導(dǎo)致它們蒸發(fā)。蒸汽以羽流的形式膨脹和擴(kuò)散，然后形成液滴，然后凝固成納米顆粒。

研究人員通過電子顯微鏡成像和光譜方法對納米顆粒進(jìn)行了表征。他們的分析表明，形成了兩種核殼納米粒子。在第一種類型中，核心僅由硅組成，而在另一種類型中，核心材料是碳化硅 (SiC)。在這兩種情況下，周圍的殼僅由碳組成。

科學(xué)家們還使用高速相機(jī)記錄了激光照射產(chǎn)生的羽流的形成和演變。這有助于他們了解核殼納米粒子形成的精確程度。在該過程的早期階段，會生成 Si 和 SiC 納米顆粒(核)。然后，它們會通過持續(xù)存在于羽流中的碳“云”，核心通過該碳“云”獲得碳涂層(外殼)。