【會議報告】鋰電池負極材料進展與雙重改性策略提高硅碳負極穩定性

隨著新能源汽車對續航能力要求的不斷提高，鋰電池負極材料也在向著高比容量方向發展，負極材料正經歷著從傳統石墨到新型復合材料的演進。

作為鋰離子電池的第一代負極材料，石墨負極材料的容量居中，穩定性好，是當前主流的負極材料。但石墨負極材料也存在不足之處，由于反復的充放電循環，石墨負極會經歷體積膨脹和鋰離子嵌入/脫出過程中的結構變化，這可能會導致石墨負極的結構逐漸變得不穩定，降低負極的可逆容量和循環壽命。

研究者通過許多新型技術對石墨材料進行改性與優化，提高石墨負極的循環穩定性和使用壽命。例如通過表面包覆技術，如在石墨表面包覆無定形碳層或金屬氧化物層，可以有效減少電解液與石墨的直接接觸，抑制副反應的發生，提高首次庫倫效率；或者采用元素摻雜（如氮、硫、硼等）的方法可以改變石墨的電子結構和層間距，從而提升其倍率性能和循環穩定性。此外，通過構建三維多孔石墨結構或引入導電網絡（如碳納米管、石墨烯等），可以顯著改善鋰離子的擴散動力學，使石墨負極具備更好的快充性能。

隨著石墨材料的比容量性能逐漸趨于理論值（372mAh/g），研究者們將眼光投入到硅基負極這一極具潛力的替代材料上。硅基負極憑借其超高的理論比容量和適宜的嵌鋰電位被視為下一代高能量密度鋰電池的理想選擇。

但硅基負極材料存在的一些問題阻礙了其商業化：（1）硅的導電性差；（2）在充放電過程中硅顆粒在脫嵌鋰過程中的體積膨脹率高達300%，這種較大的體積變化過程形成的應力會造成顆粒的破碎，進而導致顆粒粉化及活性物質從銅箔上脫落；（3）固體電解質界面膜（SEI膜）的不斷生長變厚使材料導電性變差及大量鋰離子的損失，造成容量衰減。

為解決這些問題，研究者們主要通過改變硅的結構和將其與炭材料復合來改善其電化學性能。例如將硅納米化、多孔化，摻雜以及與碳復合制成核殼結構、三維網絡結構等。

在納米硅顆粒外面均勻包覆一層碳，即得到核殼型的硅碳復合材料。如果硅顆粒尺寸在納米級，本身體積效應較小，再加上碳殼的存在減小了硅表面與電解液的直接接觸并改善了硅顆粒之間的電子傳導，因此整個電極的循環穩定性可以得到很大提高。

針對各類負極材料的產業化技術與國內外市場狀況，中國粉體網將于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與產業高峰論壇暨2025CVD硅碳負極材料前沿技術論壇。大會旨在為負極材料產業鏈上中下游企業搭建深度交流的平臺，開展產、學、研合作，助推負極材料行業持續健康發展。屆時，來自沈陽工業大學的史發年教授將作題為《鋰電池負極材料進展與雙重改性策略提高硅碳負極穩定性》的報告。

本報告將首先介紹石墨負極材料的應用、存在的問題以及優化策略；然后重點匯報團隊使用雙重改性技術優化硅碳材料，提高了硅碳負極的循環穩定性。在1A/g大電流密度下循環500圈后保持可逆比容量在1000mAh/g，具有潛在負極材料實用價值。

專家簡介：

史發年，博士，沈陽工業大學教授，博士生導師。中國能源學會能源與環境專業委員會委員，中國化工學會無機酸堿鹽專業委員會智庫專家委員，中國化學會高級會員。主要研究方向包括：復合材料、稀土功能材料、鋰離子電池關鍵材料等的設計與改性。共發表學術論文180余篇，其中有10篇論文進入ESI 1%高被引。積極與多家企業合作參加各種產學研用活動。主持國家自然科學基金面上項目、遼寧省教育廳重點項目及橫向課題等。于2024年參與兩項鋰離子電池電極材料領域的團體標準起草與修訂工作。

參考來源：

丁波《鋰離子電池硅基負極材料化學改性、電極設計及電化學性能研究》

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