随着晶体硅（c-Si）光伏产业的快速发展，硅锭切割过程中每年产生超过20万吨废硅（wSi），造成直接经济损失约3亿美元。这些废硅因表面氧化和微量杂质难以高效再利用，传统处理方法（如填埋、再熔炼）能耗高、污染大，且附加值低。如何将低纯度废硅转化为高价值材料，尤其是用于锂离子电池硅基负极，成为关键挑战。
1：废硅高值化利用难题：光伏产业每年产生超20万吨低纯度废硅（wSi），表面氧化层和微量杂质导致其难以直接用于高附加值领域（如锂电负极），传统处理方法（填埋、再熔炼）能耗高、污染重且经济性差。
2：硅基负极的结构与性能瓶颈：硅负极存在严重体积膨胀（>300%）、导电性差及循环稳定性不足等问题，而废硅因氧化层和杂质进一步加剧了电极粉化、界面副反应（如SiC生成）和容量衰减。
3：工艺效率与结构控制挑战：传统纳米线合成方法（如化学刻蚀、气相沉积）依赖贵金属催化剂，且加热/冷却速率低（<100 K/s），难以实现废硅的快速定向转化和非晶结构调控。
焦耳热驱动瞬时转化：利用碳热冲击（CTS）技术产生超高温梯度热场（4.2×10³ K/s），突破传统加热/冷却速率限制，实现废硅快速液化与原子定向扩散。
铜催化诱导非晶结构：引入铜纳米颗粒降低硅表面能，促进非晶硅纳米线（a-SiNWs）生长，抑制晶态硅（c-Si）和碳基底的副反应（如SiC生成）。
自支撑电极直接应用：a-SiNWs原位生长于碳布基底（a-SiNWs@CC），无需粘结剂，直接作为锂离子电池负极，兼具高容量（2150 mA h g⁻¹）和循环稳定性（250次循环容量保持率90%）。
焦耳加热设备：采用碳布基底连接电源，通过脉冲电流（30 V, 60 A）瞬时加热至2100 K，实现超快速升温（4.2×10³ K/s）与淬火。
铜盐分解与熔体调控：铜盐在高温下分解为Cu纳米颗粒，形成Si-Cu熔体，降低硅原子表面能，促进纳米线定向生长。
氧化物限域环境：利用废硅表面氧化层限制硅原子扩散方向，结合高温梯度热场驱动一维纳米线形成。
多尺度表征：通过SEM、TEM、XPS、Raman等手段验证非晶结构、元素分布及表面化学键状态；电化学测试（半电池/全电池）评估性能。
图1：
CTS工艺示意图及温度分布，展示焦耳加热设备的瞬态热场特性。
图2
a-SiNWs@CC的形貌与结构表征（SEM、TEM、EDS），显示纳米线均匀分布（直径15 nm）及非晶特征。
图3
熔融行为与生长机制，对比wSi与Si-Cu混合物的熔点差异，揭示Cu催化降低表面能的作用。
图4
物理化学性质对比，a-SiNWs@CC的接触角小、柔韧性好，XRD无SiC峰，XPS显示Cu以单质态存在。
图5-6
电化学性能与动力学分析，a-SiNWs@CC初始库仑效率91.35%，锂离子扩散系数达5.38×10⁻⁹ cm²/s。
图7-8
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有限元模拟验证非晶硅低应力优势，循环后电极形貌及SEI成分分析，展示结构稳定性。
通过焦耳加热驱动的碳热冲击技术，结合铜催化，成功将光伏废硅转化为非晶硅纳米线自支撑电极（a-SiNWs@CC）。该材料具有高初始库仑效率（91.35%）和循环稳定性（250次循环容量2150 mA h g⁻¹），为废硅高值化利用和硅基负极设计提供了新思路。同时，提出的规模化连续生产工艺（如卷对卷技术）具备产业化潜力。
该研究通过焦耳加热设备实现了废硅的瞬时结构重构，解决了传统工艺能耗高、效率低的问题。铜催化与非晶结构的协同作用不仅提升了电极的锂存储性能，还抑制了体积膨胀导致的失效。焦耳热技术的高温梯度与快速响应特性，为其他难处理材料的定向合成提供了借鉴。
