近日，中南大学冶金与环境学院周向阳教授、杨娟教授团队在国际顶级期刊《能源与环境科学》（Energy & Environmental Science）上发表了题为《强晶粒持续钉扎强化的纳米晶硅稳定储锂》（Stable lithium storage with strong-grain sustained pinning-reinforced nanocrystalline silicon）的研究成果，为低成本高硅负极的开发和应用提供了新思路、新方法。
高理论容量（4200mAh/g）硅负极在高比能锂离子电池与固态电池中显现出了巨大应用前景，但其充、放电过程中的体积效应（体积膨胀>300%）严重阻碍了规模化应用进程。传统理论认为，无定型态硅更有利于舒缓体积效应、制备出性能良好的硅负极，人们也基于此开发了以多孔碳与硅烷为原料、通过CVD法制备硅基负极的工程化技术，但由于大孔容多孔碳价格高以及硅烷使用中的安全与环保等问题，导致该法的制造成本居高不下。
为了降低硅基负极制造成本，选用来源广泛且价格低廉的晶态硅原料具有重要的研究价值，但晶态硅在充放电循环中的结构稳定性问题是关键难点。周向阳教授、杨娟教授团队利用经典的热处理工艺、基于晶硅产业废料首次打造了一种具有缺陷（堆积层错、纳米孪晶和莫尔晶）持续钉扎强化纳米晶粒的高机械性能纯硅负极，硅负载量高达80wt%负极、以0.8A/g的电流循环300圈、依然保留有1983.9 mAh/g的可逆容量，为低成本高硅负极的开发和应用提供了新思路和新方法。
缺陷持续钉扎强化纳米晶硅的物理特性和储锂表现
一系列扫描电镜电极结构成分分析、球差透射电镜晶体结构表征和大规模LAMMPS分子动力学模拟成功展示了缺陷的生成、演化和循环中的持续钉扎强化对晶态硅力学结构的作用，充分地从机理上肯定了强化晶态硅的优势。
目前，研发团队以廉价晶硅原料制备出了公斤级高性能缺陷强化硅基负极，受益于来源广泛与价格低廉的晶硅原料，以及高效简便且易于放大的制备过程，该技术显示出了良好的社会和经济效益。
中南大学博士生胡挺杰为论文第一作者，中南大学、英国帝国理工学院、湖南宸宇富基新能源科技有限公司为上述成果的共同完成单位，中南大学为第一署名单位和唯一通讯单位。
来源：科学研究部
