郭孝东/吴振国AEM: 纳米结构硅负极的工业应用制备进展

对高能量密度锂离子电池的迫切需求推动了对具有超高理论容量的Si负极的研究，纳米结构Si的制备是工业应用的第一步，因为它有解决内在问题即锂化/脱锂过程中严重体积变化的潜力。然而，以可接受的成本和批量稳定性实现纳米结构Si工业化生产仍然是一个巨大的挑战。

在此，四川大学郭孝东教授、吴振国副研究员等人重新审视了纳米结构Si的制备进展，包括0D纳米颗粒（Si-NPs）、1D纳米线和纳米管（Si-NWs和Si-NTs）、2D薄膜（Si-TF）和3D多孔结构（P-Si）等四类。

在简要介绍了纳米结构Si市场现状的基础上，介绍了各种纳米结构Si的制备方法及相应的进展，包括球磨法、镁热还原法、模板法、化学气相沉积法和化学蚀刻法，并从机理、成本、技术成熟度和最新发展等方面对上述技术进行了全面的总结和比较。最后，对纳米结构Si制备向工业化发展的方向进行了深入探讨。

图1. 高能球磨法制备Si-NPs的示意图及性能研究

作者总结了几类Si纳米材料的未来发展：

（1）Si-NPs是目前市场上主要的Si纳米材料，如何高效合成均匀可控的Si-NPs是其发展方向。此外，在产业化方面，降低能耗、提高生产效率、扩大生产规模是关键问题。

（2）Si-NWs和Si-NTs的制备工艺流程比Si-NPs的制备工艺流程更复杂、成本更高，未来应用应作为少量添加剂添加到负极材料中以改善材料性能。

（3）Si-TF与固态电解质具有良好的适应性，且固态电池是未来的重要发展方向。

（4）P-Si显示出巨大的应用潜力，要实现工业化应用，纳米微结构的调控和低成本的大规模制备是关键。

图2. 化学蚀刻制备多孔Si/SiO_x NWs的示意图及性能研究

Revisiting the Preparation Progress of Nano-Structured Si Anodes toward Industrial Application from the Perspective of Cost and Scalability, Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202102181

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