石墨烯包覆硅基纳米锂离子电池负极材料制备技术

1. 痛点问题

锂离子电池作为“双碳”和“中国智造 2025”目标实现的重要组成部分，被广泛用于军事和民用储能设备。随着人们对锂离子电池续航能力要求的不断提高，现有商用石墨负极已不能满足人们对能量密度的要求。近年来，石墨烯包覆的硅纳米材料因具有优良的循环稳定性、导电性、倍率性和高比容量已被认为是下一代锂离子电池负极的理想材料。

但如何实现高品质的石墨烯包覆的硅纳米材料的量产目前行业亟需解决的问题瓶颈，清华张贵新教授团队针对上述问题研发了一种基于等离子技术的一步式实现石墨烯包覆硅基纳米锂离子电池负极材料制备技术：包括硅材料纳米化、石墨烯生成及碳硅包覆。

2. 解决方案

微波等离子体是通过注入谐振腔的微波电场激发并维持的无电极放电等离子体，在开放式大气压条件下能形成具有大体积、高温、高能粒子的均匀等离子体核心区域。结合前驱体的组合与馈入技术，在百毫秒时间内迅速将硅材料纳米化、生成石墨烯或奈米碳并实现炭包硅纳米锂电池纳米负极材料的制备，可大气压下连续运行，适合工业规模化生产。基于该技术制备得到石墨烯均匀包覆的硅基纳米核壳材料（平均粒径为 10.95 nm），并且制得的材料经过扣电池电性能循环测试表明：该方法制备得到的核壳纳米材料的平均粒径为的初次比容量达 2000 mAh/g 以上，其循环性能远高于目前常用的石墨负极。

图1 微波等离子体工业批量制备纳米材料示意图

图2 该技术所制备石墨烯包覆硅基纳米锂离子电池负极材料