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過程工程所光伏硅廢料“一步法”制備硅納米線電極研究獲進(jìn)展

2021-09-09 08:56 來源：過程工程研究所瀏覽：

硅片是晶硅太陽能電池的基礎(chǔ)材料，但其制造過程中會產(chǎn)生硅廢料，造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。利用光伏硅廢料制備鋰離子電池負(fù)極材料是實(shí)現(xiàn)光伏和鋰電產(chǎn)業(yè)綠色、協(xié)同、可持續(xù)發(fā)展的重要方向。近日，中國科學(xué)院過程工程研究所綠色冶金與產(chǎn)品工程課題組博士研究生陸繼軍，在研究員王志、副研究員劉俊昊等的指導(dǎo)下，利用可控電致熱沖擊方法，創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)了從光伏硅廢料到高硅含量納米線電極的無催化劑一步高效制備，鋰離子電池能量密度顯著提升，為高效低成本制備鋰離子電池用硅納米線材料提供了新思路。相關(guān)研究成果以Millisecond Conversion of Photovoltaic Silicon Waste to Binder-Free High Silicon Content Nanowires Electrodes為題，發(fā)表在Advanced Energy Materials上。

近年，在碳中和目標(biāo)指引下，光伏太陽能產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛。然而，在硅片制造過程中會產(chǎn)生硅廢料，且目前僅能降級利用。為此，過程工程所王志研究員團(tuán)隊(duì)針對硅廢料粒度細(xì)(~1μm)、氧化膜包裹和微量雜質(zhì)夾帶造成其高值化利用難的問題，提出了一種綠色、高效的增值循環(huán)再生策略，充分發(fā)揮硅廢料氧化膜的限域和缺陷的誘導(dǎo)作用，通過閃速加熱和淬冷提供大梯度熱場(~105 K/s)驅(qū)動受限空間內(nèi)硅原子的定向擴(kuò)散以達(dá)到硅納米線的快速生長，電極首效高達(dá)89.5%，循環(huán)超500次容量仍大于2300 mAh g-1，達(dá)到國際先進(jìn)水平。

王志團(tuán)隊(duì)在光伏硅廢料的高值化循環(huán)利用領(lǐng)域取得了系列進(jìn)展，研發(fā)了多項(xiàng)特色技術(shù)和裝備，建立了萬噸級硅基固廢短程高值循環(huán)利用示范工程，研究成果相繼發(fā)表在ACS Sustainable Chem. Eng. DOI: 10.1021/acssuschemeng.1c03381;ACS Sustainable Chem. Eng., 2021, 9, 2962-2974(封面文章);Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 2021, 230, 111213;J. Hazard. Mater., 2021, 403, 123598;J. Alloys Compd., 2021, 874, 159914;J. Alloys Compd., 2020, 820, 153300;J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 11347-11354;Chem. Eng. J., 2019, 370, 565-572。

研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金和北京市自然科學(xué)基金的支持。