研究背景
晶体硅光伏产业发展迅速，但切割过程中产生大量废硅（wSi），每年超20万吨，造成约3亿美元经济损失。目前wSi多采用填埋或重熔精炼处理，在光伏和储能领域利用效果不佳，且回收技术复杂，能耗高、易造成二次污染。同时，硅基储能技术中，硅理论容量超高（\(4200mAh g\) ）且锂化电位安全（\(<0.4V\) vs. Li/Li），用wSi制造硅基负极备受关注。
关键问题
wSi用于制造硅基负极面临诸多挑战，如充放电时体积膨胀超300%、导电性差、表面氧化严重、粒径分布不均等。传统改善策略制备过程复杂，未改变wSi内在特性，电化学性能提升不显著。此外，传统制备一维纳米线的方法存在产物多为晶体、依赖贵金属催化剂、加热冷却速率慢难以直接将wSi转化为纳米线等问题。
创新点
创新性回收策略：提出增值回收策略，利用wSi的本征氧化特性和碳热冲击（CTS）产生的高温梯度热场（约\(4.2×10^{3}K s^{-1}\) ），在受限氧化物空间内驱动Si原子定向扩散，将wSi快速转化为高性能非晶硅纳米线（a-SiNWs）。
研究方法论
1，实验材料准备：wSi由JA Co., LTD提供，经简单蒸发、干燥和粉碎获得。将wSi配制成5 wt%的悬浮液，加入一定量五水硫酸铜（基于wSi质量的3 wt%计算），超声分散后，将碳布浸入其中，搅拌、干燥后置于CTS装置中制备a-SiNWs@CC电极。对比电极c-SiNWs@CC制备时不添加五水硫酸铜，wSi@CC电极未进行CTS处理且未引入铜。
2，材料表征手段：运用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）观察样品形貌和结构；激光粒度分析仪测定粒径分布；拉曼光谱、X射线衍射（XRD）分析材料结构；电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP）测量材料纯度；高温接触角测试仪测量接触角；万能材料试验机测试拉伸应变曲线；X射线光电子能谱（XPS）分析表面化学键。
3，电化学性能测试：将样品制成直径10 mm的圆片直接作为工作电极，在半电池测试中，锂金属为对电极，特定电解液和隔膜组成测试体系，在0.01 - 3.0 V电压窗口评估电化学循环和倍率性能。全电池测试中，将预锂化三次的负极与\(LiFePO_{4}\) 正极组装，在2.4 - 3.6 V电压窗口评估性能。采用恒流充放电、恒电流间歇滴定技术（GITT）、电化学阻抗谱（EIS）等方法测试电池性能。
总结概述
图1：
图2
对材料进行形貌和结构表征，包括a-SiNWs生长过程、碳布及负载混合物的SEM图像、a-SiNWs@CC不同放大倍数的微观形貌、TEM和HRTEM图像、SAED图案、HAADF和EDS元素映射，表明a-SiNWs@CC具有约15 nm的直径、高长径比、非晶结构，且尖端有Cu。
图3
研究材料高温熔融行为及a-SiNWs@CC和c-SiNWs@CC的形成过程，对比wSi和wSi与Cu粉混合物的熔点、高温接触角，揭示Cu降低Si熔点、促进反应、降低表面能利于纳米线生长的作用。
图4
表征wSi@CC、c-SiNWs@CC和a-SiNWs@CC的物理化学性质，如接触角、拉伸应变曲线、活性材料质量面积负载、XRD图案、拉曼光谱、XPS分析的Si 2p和Cu 2p光谱、FTIR光谱，说明a-SiNWs@CC润湿性好、结构稳定、导电性佳且表面化学键丰富。
图5
测试a-SiNWs@CC电极的电化学性能，包括半电池和全电池的充放电曲线、库仑效率、循环曲线、倍率曲线等，显示a-SiNWs@CC具有高初始库仑效率、高可逆容量、优异的循环稳定性和倍率性能。
图6
研究 a-SiNWs@CC 材料的动力学性质，通过原位 EIS 和 DRT 曲线、GITT 测试，计算锂离子表观扩散系数，表明 a-SiNWs@CC 电极阻抗低、离子扩散速率快、结构稳定。
图7
模拟 a-Si 和 c-Si 的锂化膨胀及其与碳基板的相互作用，展示 von mises 应力、伸长率、电极位移等，说明 a-Si 的各向同性有助于缓解应力集中，电极结构更稳定。
图8
表征循环 100 次后电极的形貌和表面 SEI 成分，对比不同电极表面情况和 SEI 成分，提出 a-SiNWs@CC 大规模制备的卷对卷连续生产工艺。
结论
成功制备 a-SiNWs@CC 电极：利用 CTS 提供的高梯度热场和 wSi 的氧化特性，诱导 a-SiNWs 生长，成功制备 a-SiNWs@CC 电极，明确 Cu 是 a-SiNWs 形成的主要驱动因素。
优异的电化学性能：a-SiNWs@CC 电极展现出卓越的储锂性能，初始库仑效率高达 91.35%（0.2Ag ），2Ag 下循环 250 次后容量保持在2150mAhg 。
揭示增强机制和结构演变：阐述 a-SiNWs@CC 电极电子 / 离子传输动力学增强的机制，揭示其在充放电过程中结构完整性和稳定性提高的原因，同时展示循环后电极表面形貌和微观组成的变化。
提出大规模制备工艺：提出 a-SiNWs@CC 的卷对卷连续生产工艺，为 wSi 的优化和再利用开辟了新途径，有望推动 wSi 在高性能柔性电极制备领域的应用。
