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锂电非晶介孔硅负极材料的简易制备
注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析
锂离子电池已经成为人们生活中不可或缺的一部分，但是它的性能却始终无法满足人们激增的需求，无论是在容量续航方面还是快速充电方面。那么如何在不增加成本的条件下解决上述问题呢？近日，山东大学杨剑教授课题组通过一种简单且高产量的方法制备了一种高性能的硅基负极材料。
近几年，硅基负极材料因为其超高的理论比容量（约等于传统石墨负极的10倍）而受到了科学研究者们的广泛关注。国内外的学者们通过不懈的努力已经可以使用各种方法制备出性能稳定优秀的硅基负极材料了，然而大多材料却只能停留在实验室制备阶段，无法实现商业化应用。原因主要可以归纳为以下5点：a）原料非常昂贵或者危险，直接或间接地增加了生产成本，并伴随着安全隐患；b）使用的仪器非常罕见或者复杂，比如电子束蒸发、射频磁控溅射、双温区管式炉，隐性地增加了生产成本；c）制备工艺非常复杂，需要多步操作，后处理过程中使用各种环境不友好药品，增加了维护和污水处理成本；d）产量低下，根本无法满足市场需求；e）制得的材料为二维薄膜状或者布状材料，无法直接与现在电池装配工艺兼容，增加额外研究成本。这些都大大限制了硅材料在实际生产中的应用。
杨剑教授课题组开发了一种自模板溶剂热法来制备介孔非晶硅材料，这种方法很好的克服了上述合成方法的不足。这种方法巧妙地利用的反应中生成的氯化镁副产物作为孔洞模板，在后期只需通过简单水洗即可除去，留下高比表面积的三维介孔非晶硅框架。这种多孔结构能够方便电解液渗透到电极材料内部，缩短锂离子的扩散路径，从而提升倍率性能；这些孔洞还能够缓解硅材料在存储锂过程中的体积变化，增强结构稳定性。而非晶硅相比于结晶硅也拥有更好的抗体积变化性能。因此这种材料展现出优异的电化学性能。
在3 A g-1的超大电流密度下进行700个循环，它的容量依旧维持在1025 mAh g-1，远高于石墨材料。值得关注的是在经过电化学活化后，它的可逆容量非常的稳定，700循环后可逆容量依旧保持在最初的88%，高于商业化应用所需要的条件。
这一成果以Hot Paper 的形式发表在《Angewandte Chemie International Edition》上，文章的第一作者是山东大学博士研究生林良栋。同时，被chemeurope、q-more 等网站作为研究亮点进行了专题报道。
该论文作者为：Liangdong Lin, Xuena Xu, Chenxiao Chu, Muhammad K. Majeed, Jian Yang。
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http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201608146/abstract
Mesoporous Amorphous Silicon: A Simple Synthesis of a High-Rate and Long-Life Anode Material for Lithium-Ion Batteries
Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 14063-14066, DOI: 10.1002/anie.201608146
杨剑教授简介
杨剑，山东大学化学系教授。1993.7-1997.7中国科学技术大学化学系获得本科学位，1997.7-2002.1 中国科学技术大学化学系获得博士学位，2002.6-2004.9 国立台湾师范大学化学系博士后，2005.2-2006.4 MIT&Singapore Alliance, 研究员、博士后，2006.6-2007.7 University of Washington, Seattle, 博士后，2007.7-2011.5 华南理工大学，化学化工学院，教授，博士生导师，2011.6至今在山东大学化学化工学院担任教授博士生导师。
研究领域为无机化学，研究兴趣包括：微纳尺度及分子尺度下的无机可控合成及其反应机制研究；无机固体化学在电化学储能方面的应用；新型电极材料的研发和储能机制研究，等等。
以第一作者或通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., ACS Nano, Adv. Funct. Mater., Chem. Mater., Nano Energy 等知名国际刊物上发表多篇学术论文。累计引用次数5000多次，H=39。
参加工作以来，先后获得教育部新世纪人才支计划（2009），国家自然科学奖二等奖（2010，排名第二），山东大学“齐鲁青年学者”特聘教授（2011），山东省杰出青年基金（2012），山东省泰山学者特聘教授（2015）等荣誉。
科研思路分析
Q：这项研究的最初目的是什么？或者说想法是怎么产生的？
A：如上所述，我们的研究是为了解决目前高性能硅材料制备工艺繁琐、成本高等问题，从而使硅材料能尽快的应用于人们的实际生活中。我们的目标很简单，就是原料要常见廉价，使用的设备简单易搭建，整个制备过程不引入环境不友好的试剂。此外，制备出来的材料也要拥有出色的性能。这为绿色环保、低成本、高性能锂离子电池负极材料的制备提供了一条理想的途径。
Q：在研究中过程中遇到的最大挑战在哪里？
A：本项研究中最大的挑战是如何通过简单的方法来制备得到复杂的微观结构。在这个过程中，我们团队在微纳结构调控方面的经验积累起了至关重要的作用。
此外，这项研究属于交叉学科的研究，其中需要不少储能器件方面的背景知识，而我们的团队主要从事无机纳米材料合成，因此这个过程要归功于先前实验室成员在电池组装工艺上的摸索探究。
Q：本项研究成果最有可能的重要应用有哪些？哪些领域的企业或研究机构最有可能从本项成果中获得帮助？
A：该材料在电化学储能方面的比容量要远高于现在商业化使用的负极材料，因此能够用于代替传统电池中的负极材料，从而提升电池性能。从事电极材料生产的企业或者电池生产企业可能从本项成果中获得帮助。我们相信这项研究成果将对硅基材料的商业化应用起到推动作用。