光伏矽廢料“一步法”制備矽納米線電極研究獲進展

矽片是晶矽太陽能電池的基礎材料，但其制造過程中會産生矽廢料，造成資源浪費和環境污染。利用光伏矽廢料制備锂離子電池負極材料是實作光伏和锂電産業綠色、協同、可持續發展的重要方向。近日，中國科學院過程工程研究所綠色冶金與産品工程課題組博士研究所學生陸繼軍，在研究員王志、副研究員劉俊昊等的指導下，利用可控電緻熱沖擊方法，創新性地實作了從光伏矽廢料到高矽含量納米線電極的無催化劑一步高效制備，锂離子電池能量密度顯著提升，為高效低成本制備锂離子電池用矽納米線材料提供了新思路。相關研究成果以Millisecond Conversion of Photovoltaic Silicon Waste to Binder-Free High Silicon Content Nanowires Electrodes為題，發表在Advanced Energy Materials上。

近年，在碳中和目标指引下，光伏太陽能産業發展迅猛。然而，在矽片制造過程中會産生矽廢料，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矽廢料粒度細（~1μm）、氧化膜包裹和微量雜質夾帶造成其高值化利用難的問題，提出了一種綠色、高效的增值循環再生政策，充分發揮矽廢料氧化膜的限域和缺陷的誘導作用，通過閃速加熱和淬冷提供大梯度熱場（~105K/s）驅動受限空間内矽原子的定向擴散以達到矽納米線的快速生長，電極首效高達89.5%，循環超500次容量仍大于2300 mAh g-1，達到國際先進水準。

王志團隊在光伏矽廢料的高值化循環利用領域取得了系列進展，研發了多項特色技術和裝備，建立了萬噸級矽基固廢短程高值循環利用示範工程，研究成果相繼發表在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計劃、國家自然科學基金和北京市自然科學基金項目的支援。

電緻熱沖擊合成矽納米線産品及其電化學性能

來源：中國科學院過程工程研究所