中國粉體網(wǎng)訊 作為合金型負極，硅的容量是石墨的10倍，然而，其循環(huán)穩(wěn)定性遠遠不如商用的石墨負極，添加碳納米管和碳包覆層是提升其性能最簡單有效的策略。近年來碳納米管和碳包覆作為導電劑是目前維持硅負極導電和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要手段。
清華大學魏飛教授團隊根據(jù)近年來碳納米管和碳包覆作為導電劑在基礎研究和產(chǎn)業(yè)化應用方面的進展，對其面臨的問題及未來的發(fā)展方向做出了展望。
①具有粘結(jié)性的功能化碳管，有望實現(xiàn)導電粘結(jié)一體化的多級功能結(jié)構(gòu)。
②電極結(jié)構(gòu)設計仍需革新。一體化干法多級電極在未來更有優(yōu)勢，長碳管網(wǎng)絡與硅基材料的同步生長原位結(jié)合，再復合碳基集流體，最后實現(xiàn)批量制備。
③未來的理想電極設計需綜合考慮緩沖膨脹、離子通道、致密、成本、柔性導電、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等多重要素。
多孔碳是一種特殊的活性碳材料，具備高度發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)，具有比表面積大、導電性能優(yōu)良、耐酸堿腐蝕等特點。根據(jù)國際純粹及應用化學聯(lián)合會（IUPAC）的定義，其孔徑可分為微孔（<2nm）、中孔（介孔）（2-50nm）、大孔（>50nm）三類。
多孔碳在硅碳負極中作為骨架材料使用。CVD法硅碳的做法是將硅烷通入多孔碳，然后將硅烷熱解生成納米硅顆粒，使其沉積在多孔碳孔隙中生成硅碳復合材料；之后再進行碳包覆，即可用于制備負極。
硅碳負極在使用中有兩個最大的問題，一是硅在嵌鋰過程中體積膨脹巨大，會導致材料粉化；二是硅與電解液會發(fā)生副反應，反復生成過厚的SEI膜，消耗活性鋰，降低電池首效和循環(huán)次數(shù)。通過使用基于多孔碳的CVD工藝，這兩個問題都得到了很好的解決。一方面，多孔碳內(nèi)部的孔隙可以緩沖硅在嵌鋰過程中的體積膨脹；另一方面，碳包覆減少了硅與電解液的直接接觸，抑制了SEI膜的重復生長，可以提升鋰電池首次效率和循環(huán)性能。
關(guān)于清華大學魏飛教授團隊成果轉(zhuǎn)化方面，基于清華大學魏飛-張晨曦團隊的硅碳負極技術(shù)成立常州硅源新能材料有限公司，采用流動性與傳遞能力優(yōu)異的氣固流化床進行分子級沉積反應，實現(xiàn)了硅基負極材料表面的均勻致密包覆，已成功制備出高容量、高首效、長壽命硅碳負極材料，并實現(xiàn)了千噸級宏量制備過程，在保證材料性能的同時極大地降低了生產(chǎn)成本，性價比領跑全行業(yè)。該項先進技術(shù)成果入選2020年中關(guān)村論壇，并作為重大前沿科技成果在2024世界新能源新材料大會上重磅發(fā)布，已應用于鄂爾多斯年產(chǎn)2萬噸硅碳負極材料項目，總投資達22億元，由常州硅源新能材料有限公司投資成立的內(nèi)蒙古硅源新能電子材料科技有限公司運營，將于2025年實現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)化應用，為打造新一代高比能量長續(xù)航電池產(chǎn)品打下了堅實的基礎，在帶來百億級經(jīng)濟效益的同時，將極大促進新能源行業(yè)的革命性發(fā)展。
針對各類負極材料的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)與國內(nèi)外市場狀況，中國粉體網(wǎng)將于2025年6月24-25日在安徽·合肥舉辦第二屆硅基負極材料技術(shù)與產(chǎn)業(yè)高峰論壇暨2025CVD硅碳負極材料前沿技術(shù)論壇。旨在為負極材料產(chǎn)業(yè)鏈上中下游企業(yè)搭建深度交流的平臺，開展產(chǎn)、學、研合作，助推負極材料行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。屆時，清華大學魏飛教授將作題為《導電劑與多孔碳對硅碳負極性能影響》的報告。
專家簡介：
魏飛，清華大學化學工程系教授、博士生導師，長期從事流態(tài)化、多相反應工程及碳納米管結(jié)構(gòu)控制與批量生產(chǎn)技術(shù)。致力于多相反應器的新概念及新理論研究、研發(fā)用于煤及石油化工、納米材料、清潔能源化學品、環(huán)境等領域的新型過程及設備。國家杰出青年基金（1997）獲得者。綠色反應工程與工藝北京市重點實驗室主任。主持設計30余臺多相反應器投入商業(yè)運行，研究成果獲國家科技進步二等獎（2002年，2008年）、中石化科技進步一等獎（2001、2007年）、教育部自然科學一等獎（2005，2015）、發(fā)明一等獎（2012）。在Science、Nature等雜志發(fā)表論文600余篇，專著4部，SCI引用50000余次，H因子97。是2016-2021克萊蒽材料領域高被引學者。中國顆粒學會能源顆粒材料專業(yè)委員會主任，中國化工學會、石油學會理事等職。
參考來源：
清華大學魏飛AFM：碳納米管作為硅負極導電網(wǎng)絡的研究進展
多孔炭-CVD硅碳負極的關(guān)鍵材料.石大勝華
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/蘇簡）
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