庆应义塾大学研究用于电池的环保纳米粒子

庆应义塾大学的研究人员在Nano Select杂志上报告了创新技术，该技术可以通过利用激光照射的高效、可持续的方法将硅废料回收成电池阳极材料。该成果有望在半导体制造和能源相关行业中得到广泛应用。

在全球努力使社会脱碳的背景下，电池构成了一项关键技术。具体来说，科学家们正致力于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，硅阳极存在问题，因为它们在充电时倾向于膨胀，最终导致电池寿命缩短。作为妥协，目前正在研究将硅碳 (Si-C) 复合材料用作阳极材料。具体来说，被称为“Si-C 核壳纳米粒子”的结构已显示出前景。这推动了对此类颗粒的高效生产方法的需求。

在这项研究中，来自庆应义塾大学的Jiwang Yan及其同事开发了一种单一设备、单一步骤的工艺，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，可能会导致一整类 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 及其同事首先混合了微米级的 Si 和 C 粉末。硅粉由硅片研磨过程中产生的污泥制成，而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。平板电脑目标被激光照射，导致它们蒸发。蒸汽以羽流的形式膨胀和扩散，之后形成液滴，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粒子进行了表征。他们的分析表明，形成了两种类型的核壳纳米粒子。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摄像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(核心)。然后它们通过一个持续存在于羽流中的碳“云”，核心通过它获得碳涂层(壳)。