庆应义塾大学研究用于电池的环保纳米颗粒

庆应义塾大学研究人员在《纳米选择》杂志上报告了一项创新技术，该技术使硅废料能够通过利用激光照射的高效、可持续的方法回收到电池阳极材料中。预计该结果将在半导体制造和能源相关行业有广泛的应用。

在全球社会脱碳努力的背景下，电池是一项关键技术。具体来说，科学家们正在努力提高锂离子电池的容量和寿命。实现这一目标的一种方法是将阳极材料从碳转换为硅。后者原则上会导致更大的电池容量。然而，硅阳极是有问题的，因为它们在充电时容易膨胀，最终导致电池寿命短。作为折衷方案，目前正在研究硅碳 (Si-C) 复合材料作为负极材料。具体而言，称为“Si-C 核壳纳米粒子”的结构已显示出前景。这促进了对此类颗粒的有效生产方法的需求。

在这项研究中，庆应义塾大学的Jiwang Yan及其同事开发了一种单设备、单步工艺，可在短时间内以低成本生产 Si-C 纳米结构。该方法涉及激光照射，并可能导致一整类 Si-C 功能纳米材料的可持续制造。

激光照射方法需要专门准备的目标。Yan 及其同事首先混合微米级的 Si 和 C 粉末。硅粉是由硅片研磨过程中产生的废物污泥制成的，而对于碳含量，则使用市售的石墨粉。然后将 Si-C 粉末混合物压制成片剂。平板目标被激光照射，导致它们蒸发。蒸汽以羽流的形式膨胀和扩散，然后形成液滴，然后凝固成纳米颗粒。

研究人员通过电子显微镜成像和光谱方法对纳米颗粒进行了表征。他们的分析表明，形成了两种核壳纳米粒子。在第一种类型中，核心仅由硅组成，而在另一种类型中，核心材料是碳化硅 (SiC)。在这两种情况下，周围的壳仅由碳组成。

科学家们还使用高速相机记录了激光照射产生的羽流的形成和演变。这有助于他们了解核壳纳米粒子形成的精确程度。在该过程的早期阶段，会生成 Si 和 SiC 纳米颗粒(核)。然后，它们会通过持续存在于羽流中的碳“云”，核心通过该碳“云”获得碳涂层(外壳)。