【會議報告】清華大學魏飛：導電劑與多孔碳對硅碳負極性能影響

作為合金型負極，硅的容量是石墨的10倍，然而，其循環穩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構穩定性的重要手段。

清華大學魏飛教授團隊根據近年來碳納米管和碳包覆作為導電劑在基礎研究和產業化應用方面的進展，對其面臨的問題及未來的發展方向做出了展望。

①具有粘結性的功能化碳管，有望實現導電粘結一體化的多級功能結構。

②電極結構設計仍需革新。一體化干法多級電極在未來更有優勢，長碳管網絡與硅基材料的同步生長原位結合，再復合碳基集流體，最后實現批量制備。

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、結構穩定性等多重要素。

多孔碳是一種特殊的活性碳材料，具備高度發達的孔隙結構，具有比表面積大、導電性能優良、耐酸堿腐蝕等特點。根據國際純粹及應用化學聯合會（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次數。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性能。

關于清華大學魏飛教授團隊成果轉化方面，基于清華大學魏飛-張晨曦團隊的硅碳負極技術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異的氣固流化床進行分子級沉積反應，實現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成本，性價比領跑全行業。該項先進技術成果入選2020年中關村論壇，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布，已應用于鄂爾多斯年產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蒙古硅源新能電子材料科技有限公司運營，將于2025年實現大規模的商業化應用，為打造新一代高比能量長續航電池產品打下了堅實的基礎，在帶來百億級經濟效益的同時，將極大促進新能源行業的革命性發展。

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。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，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，長期從事流態化、多相反應工程及碳納米管結構控制與批量生產技術。致力于多相反應器的新概念及新理論研究、研發用于煤及石油化工、納米材料、清潔能源化學品、環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）、發明一等獎（2012）。在Science、Nature等雜志發表論文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絡的研究進展

多孔炭-CVD硅碳負極的關鍵材料.石大勝華

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