【會議報告】鋰電池負(fù)極材料進展與雙重改性策略提高硅碳負(fù)極穩(wěn)定性

隨著新能源汽車對續(xù)航能力要求的不斷提高，鋰電池負(fù)極材料也在向著高比容量方向發(fā)展，負(fù)極材料正經(jīng)歷著從傳統(tǒng)石墨到新型復(fù)合材料的演進。

作為鋰離子電池的第一代負(fù)極材料，石墨負(fù)極材料的容量居中，穩(wěn)定性好，是當(dāng)前主流的負(fù)極材料。但石墨負(fù)極材料也存在不足之處，由于反復(fù)的充放電循環(huán)，石墨負(fù)極會經(jīng)歷體積膨脹和鋰離子嵌入/脫出過程中的結(jié)構(gòu)變化，這可能會導(dǎo)致石墨負(fù)極的結(jié)構(gòu)逐漸變得不穩(wěn)定，降低負(fù)極的可逆容量和循環(huán)壽命。

研究者通過許多新型技術(shù)對石墨材料進行改性與優(yōu)化，提高石墨負(fù)極的循環(huán)穩(wěn)定性和使用壽命。例如通過表面包覆技術(shù)，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(yīng)的發(fā)生，提高首次庫倫效率；或者采用元素?fù)诫s（如氮、硫、硼等）的方法可以改變石墨的電子結(jié)構(gòu)和層間距，從而提升其倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。此外，通過構(gòu)建三維多孔石墨結(jié)構(gòu)或引入導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)（如碳納米管、石墨烯等），可以顯著改善鋰離子的擴散動力學(xué)，使石墨負(fù)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(fù)極這一極具潛力的替代材料上。硅基負(fù)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(fù)極材料存在的一些問題阻礙了其商業(yè)化：（1）硅的導(dǎo)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(yīng)力會造成顆粒的破碎，進而導(dǎo)致顆粒粉化及活性物質(zhì)從銅箔上脫落；（3）固體電解質(zhì)界面膜（SEI膜）的不斷生長變厚使材料導(dǎo)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(jié)構(gòu)和將其與炭材料復(fù)合來改善其電化學(xué)性能。例如將硅納米化、多孔化，摻雜以及與碳復(fù)合制成核殼結(jié)構(gòu)、三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(fù)合材料。如果硅顆粒尺寸在納米級，本身體積效應(yīng)較小，再加上碳?xì)さ拇嬖跍p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(dǎo)，因此整個電極的循環(huán)穩(wěn)定性可以得到很大提高。

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。大會旨在為負(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，來自沈陽工業(yè)大學(xué)的史發(fā)年教授將作題為《鋰電池負(fù)極材料進展與雙重改性策略提高硅碳負(fù)極穩(wěn)定性》的報告。

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

專家簡介：

史發(fā)年，博士，沈陽工業(yè)大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。中國能源學(xué)會能源與環(huán)境專業(yè)委員會委員，中國化工學(xué)會無機酸堿鹽專業(yè)委員會智庫專家委員，中國化學(xué)會高級會員。主要研究方向包括：復(fù)合材料、稀土功能材料、鋰離子電池關(guān)鍵材料等的設(shè)計與改性。共發(fā)表學(xué)術(shù)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(yè)合作參加各種產(chǎn)學(xué)研用活動。主持國家自然科學(xué)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(lǐng)域的團體標(biāo)準(zhǔn)起草與修訂工作。

參考來源：

丁波《鋰離子電池硅基負(fù)極材料化學(xué)改性、電極設(shè)計及電化學(xué)性能研究》

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