中國粉體網(wǎng)訊 作為合金型負(fù)極，硅的容量是石墨的10倍，然而，其循環(huán)穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如商用的石墨負(fù)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(dǎo)電劑是目前維持硅負(fù)極導(dǎo)電和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要手段。
清華大學(xué)魏飛教授團(tuán)隊(duì)根據(jù)近年來碳納米管和碳包覆作為導(dǎo)電劑在基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面的進(jìn)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(shí)現(xiàn)導(dǎo)電粘結(jié)一體化的多級功能結(jié)構(gòu)。
②電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(luò)與硅基材料的同步生長原位結(jié)合，再復(fù)合碳基集流體，最后實(shí)現(xiàn)批量制備。
③未來的理想電極設(shè)計(jì)需綜合考慮緩沖膨脹、離子通道、致密、成本、柔性導(dǎo)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(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)，具有比表面積大、導(dǎo)電性能優(yōu)良、耐酸堿腐蝕等特點(diǎn)。根據(jù)國際純粹及應(yīng)用化學(xué)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(fù)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(fù)合材料；之后再進(jìn)行碳包覆，即可用于制備負(fù)極。
硅碳負(fù)極在使用中有兩個(gè)最大的問題，一是硅在嵌鋰過程中體積膨脹巨大，會導(dǎo)致材料粉化；二是硅與電解液會發(fā)生副反應(yīng)，反復(fù)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(gè)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(fù)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(xué)魏飛教授團(tuán)隊(duì)成果轉(zhuǎn)化方面，基于清華大學(xué)魏飛-張晨曦團(tuán)隊(duì)的硅碳負(fù)極技術(shù)成立常州硅源新能材料有限公司，采用流動(dòng)性與傳遞能力優(yōu)異的氣固流化床進(jìn)行分子級沉積反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了硅基負(fù)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(fù)極材料，并實(shí)現(xiàn)了千噸級宏量制備過程，在保證材料性能的同時(shí)極大地降低了生產(chǎn)成本，性價(jià)比領(lǐng)跑全行業(yè)。該項(xiàng)先進(jìn)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(yīng)用于鄂爾多斯年產(chǎn)2萬噸硅碳負(fù)極材料項(xiàng)目，總投資達(dá)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(yùn)營，將于2025年實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用，為打造新一代高比能量長續(xù)航電池產(chǎn)品打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，在帶來百億級經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，將極大促進(jìn)新能源行業(yè)的革命性發(fā)展。
針對各類負(fù)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(fù)極材料技術(shù)與產(chǎn)業(yè)高峰論壇暨2025CVD硅碳負(fù)極材料前沿技術(shù)論壇。旨在為負(fù)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(xué)、研合作，助推負(fù)極材料行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。屆時(shí)，清華大學(xué)魏飛教授將作題為《導(dǎo)電劑與多孔碳對硅碳負(fù)極性能影響》的報(bào)告。
專家簡介：
魏飛，清華大學(xué)化學(xué)工程系教授、博士生導(dǎo)師，長期從事流態(tài)化、多相反應(yīng)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(yīng)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(xué)品、環(huán)境等領(lǐng)域的新型過程及設(shè)備。國家杰出青年基金（1997）獲得者。綠色反應(yīng)工程與工藝北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。主持設(shè)計(jì)30余臺多相反應(yīng)器投入商業(yè)運(yùn)行，研究成果獲國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)（2002年，2008年）、中石化科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)（2001、2007年）、教育部自然科學(xué)一等獎(jiǎng)（2005，2015）、發(fā)明一等獎(jiǎng)（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(lǐng)域高被引學(xué)者。中國顆粒學(xué)會能源顆粒材料專業(yè)委員會主任，中國化工學(xué)會、石油學(xué)會理事等職。
參考來源：
清華大學(xué)魏飛AFM：碳納米管作為硅負(fù)極導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)展
多孔炭-CVD硅碳負(fù)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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