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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,造成資源浪費和環(huán)境污染。利用光伏硅廢料制備鋰離子電池負極材料是實現(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隊針對硅廢料粒度細(~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)硅原子的定向擴散以達到硅納米線的快速生長,電極首效高達89.5%,循環(huán)超500次容量仍大于2300 mAh g-1,達到國際先進水平。

王志團隊在光伏硅廢料的高值化循環(huán)利用領(lǐng)域取得了系列進展,研發(fā)了多項特色技術(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研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金和北京市自然科學(xué)基金的支持。

電致熱沖擊合成硅納米線產(chǎn)品及其電化學(xué)性能

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