【论文链接】
https://doi.org/10.1016/j.mtsust.2024.101050
【作者单位】
上海第二工业大学等
【论文摘要】
随着全球对可再生能源需求的激增，光伏（PV）组件的大规模退役和处置给环境与经济带来了重大挑战。特别是，这些组件中废弃硅的累积需要高效的回收解决方案。鉴于硅在反复脱锂过程中存在体积膨胀严重的问题，我们转而利用静电纺丝技术将废弃硅封装在纳米笼中，并向结构中引入二氧化钛和银。通过一步煅烧工艺，生成了负载纳米颗粒的纳米纤维笼，其中原位生成的二氧化钛和银颗粒增强了结构的完整性。硅-碳纳米纤维（SATCNF）复合材料展现出卓越的电化学性能，在0.1 A/g的电流密度下经过50次循环后，仍能保持466.3 mAh/g的可逆容量。此外，在高倍率充放电循环中，该材料也表现出强大的稳定性，即使在较高的电流密度下也能保持可观的容量。这项工作不仅为减轻废弃硅带来的环境负担提供了途径，也为锂离子电池（LIB）技术在可持续储能方面的进步做出了贡献。
【实验方法】
硅/石墨纳米颗粒的制备：
首先，将10 g光伏硅和薄片石墨加入球磨槽，球磨12h（球磨速度为800 rpm，材料和球质量比为1：30，硅石墨比为2：1），使硅碎片球磨成500-900纳米尺寸的硅纳米颗粒。球磨后，混合材料被筛分以供进一步使用。
SCNF复合材料的合成：
将0.5克混合的硅粉和石墨粉分散到20毫升去离子水中，并超声处理1小时。然后，向分散液中加入2.4克聚乙烯吡咯烷酮（PVP），并混合24小时。将充分搅拌后的溶液进行静电纺丝，纺丝电压设置为高压15千伏、低压-5千伏，使用10毫升注射器，推进速度为0.1毫米/分钟，纺丝过程在25摄氏度和40%湿度的稳定条件下进行。纺丝得到的纤维膜在空气中于60摄氏度下干燥24小时，然后使用管式炉在800摄氏度下碳化2小时，以生成硅-碳纳米纤维，标记为SCNF。
【图文摘取】
【主要结论】
综上所述，本研究提出了一种开创性的方法，用于废旧光伏硅材料的可持续回收，并成功开发出先进的3D硅-碳纳米纤维（SATCNF）复合材料。通过结合高能球磨、静电纺丝和高温碳化技术，我们设计了一种材料，该材料不仅解决了光伏废弃物带来的严峻环境问题，还显著推动了储能技术领域的发展。在热解过程中形成的坚固碳层对于最小化硅固体电解质界面（SEI）膜的形成至关重要，有效防止了电解质的渗透和降解。战略性地掺入钛（Ti）元素，以及氮和银纳米粒子，进一步提高了Li+的传输效率，改善了复合材料的电导率，并增强了其结构完整性。这项创新工作不仅为将废弃物转化为高性能电池组件的变革性应用铺平了道路，还标志着在追求更可持续和高效的储能解决方案方面取得了重大飞跃。
