贯彻以低纯硅为原料制备皮米级多孔硅颗粒,这么些被纯化且多孔化的硅颗粒

PT真人视讯,硅是当今信息及能源产业最重要的材料之一,被广泛应用到半导体芯片,太阳能和传感器等诸多产业。不同领域的应用对硅的纯度有着不同的要求,例如太阳能级硅的纯度至少应达到99.999%,而电子级硅的纯度应至少为99.9999999%。然而如何低耗能低污染的得到这些超高纯度的硅已经成为了一个困扰学术界和工业界数十年之久的问题。

真人线上娱乐真人现金娱乐金沙真人开户娱乐,现代工程与应用科学学院朱嘉教授课题组在硅纯化领域进一步取得进展,同时实现对低纯硅源的纯化和多孔化,并成功应用在能源存储领域,该研究成果(Simultaneous
Purification and Perforation of Low-Grade Si Sources for Lithium-Ion
Battery Anode)发表在《纳米快报》(DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b03932)。

现代工程与应用科学学院朱嘉教授课题组在低纯硅领域进一步取得进展,实现以低纯硅为原材料制备纳米级多孔硅颗粒,并成功应用在锂离子电池负极,该研究成果(Precise
Perforation and Scalable Production of Si Particles from Low-Grade
Sources for High-Performance Lithium Ion Battery
Anodes)发表在《纳米快报》(DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b03567)。

金沙真人网上开户,近期,南京大学现代工程与应用科学学院朱嘉教授课题组与斯坦福大学展开国际合作,利用纳米技术有效实现硅的提纯,取得重大进展。该成果以“Nanopurification
of silicon from 84% to 99.999% purity with a simple and scalable
process”为题,并于2015年10月20日在《美国科学院院刊》(Proc. Natl. Acad.
Sci.)上在线发表(doi:10.1073/pnas.1513012112)。

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朱嘉教授近年来带领团队成员围绕这一问题开展了深入研究,创新性的将纳米技术引入到硅纯化工艺当中。利用纳米颗粒非常的比表面积和极小的半径可以将大量的杂志都暴露在表面,只需要通过酸洗就可以将杂志去除。朱嘉教授团队以工业粗硅(硅铁,硅含量84%)为原材料,通过高能球磨制备得到110nm
左右的硅纳米颗粒,进行酸洗等一系列步骤之后得到了纯度高于99.999%的硅纳米颗粒。相比于传统的硅提纯工业,该技术避免了高温高压以及对HCI和H2的大量消耗,在减少耗能的同时极大的降低了污染。同时通过该技术得到的高纯度硅为直径在80nm
左右的纳米颗粒,有着更广泛的用途,例如作为锂离子电池的负极。据测试,纯化后得到的硅纳米颗粒作为负极材料时获得了很好的循环及倍率性能。整个纯化过程低能耗低污染,为生产太阳能级硅提供了新思路,并且也为进一步降低太阳能发电的成本打下了坚实的基础。该技术已经申请专利。

微米级硅颗粒纯化与多孔化的示意图

纳米多孔硅制备示意图

该论文第一作者是匡亚明学院理科强化班本科生宗麟奇,第一单位是南京大学,通讯作者是现代工程与应用科学学院朱嘉教授与斯坦福大学崔屹教授,这项工作还得到团队成员博士生朱斌的鼎力合作。项目研究得到了国家重点基础研究项目,国家自然科学基金创新群体和江苏省优势学科资助。朱嘉教授课题组自成立以来,围绕着工业粗硅的再利用展开了一系列研究,结果已陆续发表在纳米材料主流期刊上(如NanolettersDOI:10.1021/acs.nanolett.5b01698等),受到业内的广泛关注。

众所周知,硅是信息科学和能源科学的一种重要材料,在电子器件集成电路,太阳能电池和锂离子电池等领域都有广泛的应用。不同的应用对硅纯度有不同要求,比如电子级和太阳能级硅纯度分别为99.99999999%和99.9999%,锂离子电池对硅纯度要求为99%。目前主要的生产工艺,包括改良西门子工艺和硅烷热分解生产多晶硅工艺,都涉及到高温高压以及对HCI和H2的大量消耗,工艺复杂,成本很高。

众所周知,为了应对电子便携设备及电动汽车的发展需求,研究并发展高性能的锂离子电池尤为关键。而在锂离子电池的研究中,开发新的电极材料又成为提高电池性能的重中之重。就负极而言,硅因为其巨大的储量和超高的理论比容量(4200
mAh/g,相当于现在商业化石墨负极的十倍左右)成为了世界各研究组的研究重点,被认为是下一代最理想的负极材料之一。然而硅作为负极其问题也很严重,如在电池循环中,硅会经历4倍左右的体积膨胀变化从而导致电极容易粉碎化,电池失效等,所以限制了其性能的提高。

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该课题组着眼于工业生产中的低纯度硅源,通过球磨和金属辅助化学刻蚀的方法,将微米级颗粒暴露在酸性溶液中,发生的化学刻蚀能够将低纯度硅中的杂质去除,将硅纯度从83.4%提升到99.4%,同时化学刻蚀将微米级硅颗粒变成多孔状。这些被纯化且多孔化的硅颗粒,运用在锂离子电池的负极方面,能够缓解其在嵌锂时发生的体积膨胀,获得了很好的循环及倍率性能。

近年来,随着纳米材料制备技术的发展,一批研究者制备合成出了不同结构的纳米硅负极,例如:硅纳米线,硅纳米管,多孔硅纳米颗粒等,而其中多孔硅纳米颗粒因为其最适合传统的涂覆工艺而成为了硅负极商业化的有力竞争者。但是现在使用的一些多孔硅纳米颗粒的合成制备工艺较为复杂,成本较高,能耗较大,这些严重制约了其大规模生产和应用。

纳米纯化过程示意图

整个过程简便且大大降低了成本,为大规模生产硅颗粒,制备硅负极提供了新思路,并且也为硅在光伏,热电领域的制备合成提供了新方法。该论文的通讯作者是南京大学现代工程与应用科学学院朱嘉教授,第一作者是现代工程与应用科学学院硕士研究生金艳同学,该研究成果得到了国家重点基础研究项目,国家自然科学基金创新群体项目和江苏省优势学科建设项目资助。朱嘉教授课题组自成立以来,围绕着工业粗硅的再利用展开了一系列研究,结果已陆续发表在PNAS,
Nano Letters等国际主流期刊上,受到业内的广泛关注。

该课题组着眼于工业生产中的低纯度硅源(金属硅:纯度为99%),通过简单的球磨,退火和酸处理的工艺,最终得到多孔硅颗粒。并且通过控制实验条件,能够精确调控多孔硅的孔隙率。同时多孔化硅颗粒运用在锂离子电池的负极方面,能够缓解其在嵌锂时发生的体积膨胀,获得了很好的循环及倍率性能。

(现代工程与应用科学学院 匡亚明学院 宗麟奇 科学技术处)

( 现代工程与应用科学学院 科学技术处)

整个过程简便且大大降低了成本,为大规模生产硅颗粒,制备硅负极提供了新思路,并且也为硅在光伏,热电领域的制备合成提供了新方法。该论文的通讯作者是南京大学现代工程与应用科学学院朱嘉教授,第一作者是匡亚明学院理科强化班本科生宗麟奇,该研究成果得到了国家重点基础研究项目,国家自然科学基金创新群体项目和江苏省优势学科建设项目资助。朱嘉教授课题组自成立以来,围绕着工业粗硅的再利用展开了一系列研究,结果已陆续发表在PNAS,
Nano Letters等国际主流期刊上,受到业内的广泛关注。

(现代工程与应用科学学院 科学技术处)

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