硅片是晶硅太阳能电池的基础材料，但其制造过程中会产生40%的硅废料，造成了严重的资源浪费和环境污染。利用光伏硅废料制备锂离子电池负极材料是实现光伏和锂电产业绿色、协同、可持续发展的重要方向。近日，过程工程所绿色冶金与产品工程课题组博士生陆继军，在王志研究员、刘俊昊副研究员等的指导下，利用开发的可控电致热冲击方法，创新性地实现了从光伏硅废料到高硅含量纳米线电极的无催化剂一步高效制备，锂离子电池能量密度得到显著提升，为高效低成本制备锂离子电池用硅纳米线材料提供了一种新思路。相关工作发表在Advanced Energy Materials (Millisecond Conversion of Photovoltaic Silicon Waste to Binder-Free High Silicon Content Nanowires Electrodes, Adv. Energy Mater. 2021, 2102103. )。

近年，在碳中和目标指引下，光伏太阳能产业发展迅猛，2020年全球硅片需求量已超160 GW。然而，在硅片制造过程中产生的硅废料每年可达20万吨。而且，目前仅能降级利用。为此，过程工程所王志研究员团队针对硅废料粒度细（~1μm）、氧化膜包裹和微量杂质夹带造成其高值化利用难的问题，提出了一种绿色、高效的增值循环再生策略，充分发挥硅废料氧化膜的限域和缺陷的诱导作用，通过闪速加热和淬冷提供大梯度热场（~105 K/s）驱动受限空间内硅原子的定向扩散以达到硅纳米线的快速生长，电极首效高达89.5%，循环超500次容量仍大于2300 mAh g-1，达到国际先进水平。　　

图 电致热冲击合成硅纳米线产品及其电化学性能

王志研究员团队近年来在光伏硅废料的高值化循环利用领域取得了系列进展，研发了多项特色技术和装备，建立了万吨级硅基固废短程高值循环利用示范工程。主要研究成果相继发表于ACS Sustainable Chem. Eng. DOI: 10.1021/acssuschemeng.1c03381; ACS Sustainable Chem. Eng., 2021, 9, 2962-2974 (封面文章); Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 2021, 230, 111213; J. Hazard. Mater., 2021, 403, 123598; J. Alloys Compd., 2021, 874, 159914; J. Alloys Compd., 2020, 820, 153300; J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 11347–11354; Chem. Eng. J., 2019, 370, 565–572等期刊。

该工作得到了国家重点研发计划（2018YFC1901800）、国家自然科学基金（52074255，51422405）和北京市自然科学基金项目（2192055）的支持。

来源：过程所

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https://doi.org/10.1002/aenm.202102103