中国和德国科学家用芦苇制备锂电池硅基负极材料

近日，中国科学院能量转换材料重点实验室、中国科学技术大学化学与材料学院材料系余彦教授课题组与德国马普固体研究所合作的科研团队，发明了一种用芦苇制备锂离子电池三维硅负极材料的方法，打破了此前仅能用复杂的化学步骤合成硅的技术难关，为开发新一代锂离子电池提供了更多可能。

当前的锂离子电池主要以石墨及改性石墨为负极材料，但其372 毫安时/克的理论比容量难以满足电动车的长里程需求。相比之下，拥有较高理论比容量(4200 毫安时/克) 的硅基负极材料成为下一代锂离子电池负极材料领域的研究热点。此次余彦教授课题组创新性地采用了芦苇作为制备的原材料，不仅简化了工艺，而且降低了成本。

该方法主要基于镁热还原，从天然芦苇叶上还原出密集的三维多孔氧化硅(SiO2)。芦苇叶作为骨架，在其上产生的副产物氧化镁(MgO)作为孔的雏形。

和当前一些制备纳米结构硅基负极的方法相比，此种基于芦苇的制法具有以下优势：

(1)芦苇叶为可再生材料；

(2)还原产生的硅保持了芦苇叶中原有的三维纳米结构，这种结构有利于提升负极性能，因为它可以减缓负极的粉末化；

(3)方法简单易行；

(4)无需使用昂贵的硅起始原料或反应试剂。

用此方法制备负极时，芦苇叶中原有的硅酸盐的拓扑结构神奇地得到了保持，在一系列物理化学处理规程中没有受到分毫的破坏。在对干芦苇叶纯化的过程中，其内部的三维结构会收缩，中孔网络能够保持完好，哪怕是之后的碳化过程都不会改变它。

据研究人员介绍，镁热还原有两个优点：第一，它能够保持芦苇叶中原有的硅的结构；第二，对氧化镁添加物的腐蚀可以使内孔密度进一步增加。这两点辅以其后在硅电极上进行的碳层包裹，可以极大地提升锂离子电池负极的电化学性能，比如大的可逆容量、高充放电的电流密度、优异的循环性能。最后，芦苇作为一种天然材料，为高性能锂离子电池今后的大规模投产提供了可能。