研究目的
研究用于锂离子电池的硅纳米线金属辅助化学蚀刻过程中的纳米颗粒排放,以了解并减少潜在环境影响。
研究成果
用于硅纳米线(SiNWs)的MACE工艺会产生大量气载和水性纳米颗粒排放,在每千瓦时锂离子电池电极生产中,140纳米硅纳米线的气载排放最高,120纳米硅纳米线的水性排放最高。该研究为环境影响评估提供了关键数据,并表明优化蚀刻步骤可减少排放。未来工作应聚焦于扩大规模并提升可持续性。
研究不足
该研究仅限于采用特定蚀刻参数的实验室规模实验,未涉及大规模工业应用或长期环境影响。使用HF和AgNO3等有毒化学品存在安全隐患,且由于设备限制(例如未对含HF溶液采用ICP-MS检测),测量结果可能存在不确定性。
1:实验设计与方法选择:
本研究采用MACE法,通过改变蚀刻参数(硝酸银和过氧化氢浓度)合成了三种不同直径(90、120和140纳米)的硅纳米线。使用原位和非原位技术测量了空气传播和水性纳米颗粒排放,并将硅纳米线作为锂离子电池纽扣电池的阳极进行测试。
2:120和140纳米)的硅纳米线。使用原位和非原位技术测量了空气传播和水性纳米颗粒排放,并将硅纳米线作为锂离子电池纽扣电池的阳极进行测试。 样品选择与数据来源:
2. 样品选择与数据来源:以硅(100)晶圆片为基底,依次用丙酮、乙醇和去离子水清洗。从蚀刻和清洗步骤中收集纳米颗粒排放物。
3:实验设备与材料清单:
设备包括超细颗粒计数器(TSI 3776)、扫描电迁移率粒径谱仪(TSI 3936)、扫描电子显微镜(日立S4800)、能谱仪、ZetaPlus(布鲁克海文仪器公司)、电感耦合等离子体质谱仪、X射线光电子能谱仪及蓝电CT2001A电池测试仪。材料包括硝酸银、氢氟酸、过氧化氢、硝酸、丙酮、乙醇、炭黑、海藻酸钠粘合剂、铜箔、金属锂、六氟磷酸锂电解液及Celgard-2320隔膜。
4:6)、扫描电迁移率粒径谱仪(TSI 3936)、扫描电子显微镜(日立S4800)、能谱仪、ZetaPlus(布鲁克海文仪器公司)、电感耦合等离子体质谱仪、X射线光电子能谱仪及蓝电CT2001A电池测试仪。材料包括硝酸银、氢氟酸、过氧化氢、硝酸、丙酮、乙醇、炭黑、海藻酸钠粘合剂、铜箔、金属锂、六氟磷酸锂电解液及Celgard-2320隔膜。 实验流程与操作步骤:
4. 实验流程与操作步骤:对硅晶圆进行清洗,在HF+硝酸银和HF+过氧化氢溶液中蚀刻,用硝酸清洗去除银颗粒,通过超声和离心收集硅纳米线。使用UCPC和SMPS原位测量空气颗粒,并通过SEM/EDS表征;水性颗粒通过ZetaPlus、ICP-MS、SEM和XPS非原位测量。制备锂离子电池纽扣电池并进行电化学测试。
5:数据分析方法:
使用SMPS的统计计算(如几何平均数)及SEM、EDS、ICP-MS和XPS分析的软件工具处理数据。
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Ultrafine Condensation Particle Counter
TSI 3776
TSI
Measures number concentrations and size distributions of airborne nanoparticles down to 2.5 nm in diameter.
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Scanning Mobility Particle Sizer
TSI 3936
TSI
Performs particle-size classification based on differential electrical mobility classification, used with UCPC for size distribution measurements.
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Scanning Electron Microscopy
Hitachi S4800
Hitachi
Characterizes morphologies of airborne and aqueous nanoparticles.
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Electrostatic Classifier
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TSI
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Energy Dispersive X-Ray Spectrometry
Used with SEM for elemental composition analysis of nanoparticles.
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Zeta Potential Analyzer
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