中国科大低温合成硅纳米锂离子电池负极材料

一直以来，利用廉价的二氧化硅或硅酸盐制备硅材料都需要较高的反应温度。目前工业上采用的方法依然是高温碳热还原法（>1700℃），所制备的硅大都为块材，难以应用于锂离子电池负极材料。2007年至今，650℃条件下镁热还原二氧化硅是主要的制备纳米硅材料的方法，但该方法条件苛刻，容易产生副产物Mg2Si，且产率较低。铝热还原二氧化硅因产生惰性的Al2O3，需高于铝的熔点，700℃以上的高温反应才能进行。

近日，中国科学技术大学钱逸泰课题组发展了一种在200℃熔盐体系中，采用金属Al或Mg还原二氧化硅或硅酸盐制备纳米硅材料的方法。将该材料应用于锂离子电池负极材料，展示出优异的电化学性能。该研究成果发表在《能源环境科学》上（Energy Environ. Sci., 2015,8, 3187-3191），论文的第一作者为课题组的博士生林宁。

该工作是钱逸泰课题组熔盐体系中用金属镁还原四氯化硅(SiCl4 + Mg + AlCl3)制备硅纳米材料(Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 3822)的拓展性工作，但此次报道的工作因采用二氧化硅及各种硅酸盐为硅源，原料更加易得、价格便宜，更易放大，该工作的实用性更加显著。另外，该工作可以用价格更加便宜的金属Al为还原剂，反应中生成AlOCl，解决了长期以来铝热反应中生成惰性的Al2O3而使反应无法低温下进行的问题，促进了反应在低温下的持续进行。

该方法适用于还原各种二氧化硅粉体和含硅酸盐的原料如玻璃纤维、分子筛等，以及矿物如钾长石、硅藻土和生物矿物质等，而且产率能达到70%以上。对本低温熔盐的反应机理深入研究发现，AlCl3熔盐能够直接参与到该金属热还原过程。Mg和Al参与的还原反应分别为：4Al + 3SiO2 +2AlCl3= 3Si +6AlOCl，2Mg + SiO2 +6AlCl3= 2MgAl2Cl8 + 2AlOCl + Si，该反应体系中的副产物AlOCl极易处理。将铝热还原硅酸盐制备的纳米硅用于锂离子电池负极材料测试表明，在3 A/g的电流密度下循环1000圈，可逆比容量保持870 mAh/g，且首圈库仑效率高于80%，并具有很好的倍率性能。

上述研究得到了国家自然科学基金的资助。