近日，韓國蔚山科技大學(xué)(UNIST)能源技化工部的郭常圭（音譯）教授，浦項工科大學(xué)（POSTECH）化學(xué)科的樸秀進（音譯）教授，以及美國太平洋西北國家實驗室(Pacific Northwest National Laboratory,PNNL)共同合作，成功開發(fā)了硅的低溫合成技術(shù)，并借助原子單位的模擬闡明了合成原理。此次研究成果刊登于全球知名期刊《Communications Chemistry》的最新一期。
目前，鋰離子電池上的陰極材料主要采用的是石墨，但是電動汽車等大容量電池的需求持續(xù)增長，迫切需要容量更大替代材料，硅因而也備受關(guān)注，這是因為硅的容量比石墨大10倍以上。
目前硅的合成方法有很多種，但最為常用的名為“利用金屬還原二氧化硅”，但這一方法需要數(shù)百度以上的高溫，也很難大批量生產(chǎn)硅。
此次研究團隊采用了名為“金屬鹵化物催化劑”，將硅與金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，即便在較低的溫度下也可以生成硅。通過原子模擬，解釋低溫合成工藝的機理。金屬鹵化物催化劑可以加快金屬和二氧化碳的反應(yīng)，降低反應(yīng)能，由此輕易合成硅。
金屬鹵化物的熔點低，可以從二氧化硅脫去氧，起到了降低還原反應(yīng)溫度的作用，通過直接參與還原反應(yīng)，由此加快了硅的生成速率。從原子單位的機理來看，事實上，硅在較低的反應(yīng)溫度下就可以生成，這將有助于硅陰極材料的大批量生產(chǎn)。
研究團隊將低溫合成法制備的硅用作電池的陰極材料，進行充電和放電試驗，反復(fù)進行數(shù)百次以上，電化學(xué)性能依舊非常穩(wěn)定。
通過原位透射電鏡實時觀察發(fā)現(xiàn)，低溫合成的硅具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，尤為適用作第二代陰極材料。通過闡明金屬鹵化物合成法的機理，將為低溫合成硅提供充足的理論依據(jù)。金屬鹵化物不僅可以促進金屬熔化，而且對硅的構(gòu)造也有極大的作用，今后還有望應(yīng)用于其他金屬氧化物的還原反應(yīng)。
另外，此次研究得到了UNIST未來先導(dǎo)型項目和超級計算機，以及LG化學(xué)公司的大力支持。
