【會(huì)議報(bào)告】鋰離子電池硅碳負(fù)極微結(jié)構(gòu)—應(yīng)力耦合關(guān)系研究

硅因其室溫下3579mAh g^-1的高理論容量，大約0.4V vs Li⁺/Li的合理氧化還原電位和豐富的自然存儲(chǔ)量被認(rèn)為是下一代鋰離子電池負(fù)極材料最有前途的候選者之一。

然而，伴隨硅鋰化過程中體積急劇變化引起的應(yīng)力，導(dǎo)致了一系列的活性材料自身及其與集流體、粘結(jié)劑的機(jī)械故障，這些問題都導(dǎo)致了硅負(fù)極在重復(fù)循環(huán)過程中容量的快速衰減，從而限制了其大范圍商業(yè)化應(yīng)用。

目前，將硅材料進(jìn)行納米化并與碳材料復(fù)合處理是緩解其體積膨脹和提高其循環(huán)性能較為有效的途徑。

通過納米化途徑，可制得納米尺寸的硅材料。相對(duì)于大塊的顆粒，納米級(jí)的硅更不易斷裂或發(fā)生粉化，并且能夠緩解循環(huán)過程中硅的體積膨脹。其較小的粒徑和較大的比表面積縮短了鋰離子的傳輸距離，可以部分減少或避免機(jī)械應(yīng)力在充放電過程中引起的巨大體積膨脹。

但是，硅材料尺寸的減小也會(huì)帶來兩方面問題，一方面，硅材料在納米化過程中容易發(fā)生納米顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象，降低其電化學(xué)性能；另一方面，納米化會(huì)增加硅材料的比表面積，導(dǎo)致較多的副反應(yīng)發(fā)生，使得其庫倫效率降低。

碳復(fù)合可以彌補(bǔ)這一缺陷，碳材料具有相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)、循環(huán)時(shí)有限的體積膨脹、優(yōu)異的導(dǎo)電性、機(jī)械柔性、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，不僅充當(dāng)緩沖殼以減輕體積變化，而且降低了硅與集流體之間的接觸電阻。目前工業(yè)化常用的方法是通過硅與碳材料復(fù)合的方式來提高其電化學(xué)性能。

近年來，硅碳復(fù)合材料的制備和改性技術(shù)得到了快速發(fā)展。主要的制備方法包含水熱法、熱處理、靜電紡絲技術(shù)、球磨法、噴霧干燥技術(shù)、以及化學(xué)氣相沉積技術(shù)。

水熱法

水熱法成本低、效益高，是常見的碳包覆硅的方法。水熱過程環(huán)境友好，能夠避免雜質(zhì)的引入，制得的材料分布均勻，使碳能夠均勻地包裹在硅的表面。

熱處理

高溫?zé)峤庥欣诰酆衔镒鳛樘荚础⒓{米硅或氧化硅為硅源，由于易將聚合物轉(zhuǎn)化為無定形碳，在惰性氣氛下高溫?zé)峤馍商及补璨牧稀＞酆衔锔邷責(zé)峤猱a(chǎn)生的非晶碳孔隙結(jié)構(gòu)更豐富，能更好地適應(yīng)硅基材料的體積變化。

靜電紡絲技術(shù)

硅基材料在循環(huán)過程中，面臨著因材料粉化或膨脹引發(fā)的材料從集流體上脫落的問題，靜電紡絲技術(shù)得到的自支撐材料能夠有效避免這一問題，并減少生產(chǎn)成本。

球磨法

球磨法具有操作簡(jiǎn)單、成本低、可擴(kuò)展、成品率高等優(yōu)點(diǎn)，而且還具有規(guī)模化生產(chǎn)的潛力。硅在長(zhǎng)時(shí)間的機(jī)械應(yīng)力條件下分散或嵌入到碳基體中，球磨產(chǎn)生的界面空隙可以容納硅的體積膨脹。

噴霧干燥法

對(duì)于硅碳復(fù)合材料，噴霧干燥技術(shù)能夠在熱氣氛中快速干燥漿料或液體，同時(shí)實(shí)現(xiàn)一致的大小分布。

化學(xué)氣相沉積法

化學(xué)氣相沉積（CVD）是一種通過加熱基底表面或其附近的氣態(tài)反應(yīng)物的化學(xué)反應(yīng)來合成高質(zhì)量薄膜或涂層的合成途徑。在硅碳負(fù)極的生產(chǎn)中，通常采用硅烷氣（SiH₄）作為前驅(qū)體，以碳基/石墨為基底，實(shí)現(xiàn)硅碳復(fù)合材料的均勻生長(zhǎng)；或是在金屬催化劑的作用下，在材料表面均勻生長(zhǎng)石墨烯納米片，達(dá)到封裝結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)材料穩(wěn)定性的目的。

針對(duì)各類負(fù)極材料的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)與國內(nèi)外市場(chǎng)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。大會(huì)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(tái)，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)，來自遼寧科技大學(xué)的狄方副教授將作題為《鋰離子電池硅碳負(fù)極微結(jié)構(gòu)—應(yīng)力耦合關(guān)系研究》的報(bào)告。

本報(bào)告將通過介紹基于多維度多界面設(shè)計(jì)的一系列新型硅基復(fù)合材料以解決上述問題，并將系統(tǒng)討論上述材料微結(jié)構(gòu)形成機(jī)理及各相間界面相互作用，分析微結(jié)構(gòu)調(diào)控對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)-循環(huán)穩(wěn)定性-電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)間的內(nèi)在關(guān)系，進(jìn)而獲得具有高循環(huán)比容量、倍率性能的硅基負(fù)極材料。

專家簡(jiǎn)介：

狄方，畢業(yè)于遼寧科技大學(xué)獲化學(xué)工程與技術(shù)專業(yè)工學(xué)博士學(xué)位并留校任教。現(xiàn)任遼寧科技大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院儲(chǔ)能系專任教師，主要研究方向?yàn)楣杼钾?fù)極材料微結(jié)構(gòu)調(diào)控及其電化學(xué)性能優(yōu)化，曾在《Journal of Materials Science Technology》、《Journal of Colloid And Interface Science》、《Journal of Alloys and Compounds》、《Energy & Environmental Materials》等國內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文10余篇。作為骨干成員參與國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目3項(xiàng)，省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目1項(xiàng)，主持校級(jí)項(xiàng)目1項(xiàng)。多次指導(dǎo)學(xué)生參加國家、省級(jí)各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽，獲國家級(jí)一等獎(jiǎng)、省級(jí)二等獎(jiǎng)、三等獎(jiǎng)各一次。

參考來源：

柳小偉等《基于電化學(xué)-應(yīng)力耦合模型的鋰離子電池硅/碳核殼結(jié)構(gòu)的模擬與優(yōu)化》

高嘉祺《硅碳負(fù)極材料的維度設(shè)計(jì)、制備及在鋰離子電池中的應(yīng)用》

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