【會議報告】鋰離子電池硅碳負極微結構—應力耦合關系研究

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量被認為是下一代鋰離子電池負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力，導致了一系列的活性材料自身及其與集流體、粘結劑的機械故障，這些問題都導致了硅負極在重復循環過程中容量的快速衰減，從而限制了其大范圍商業化應用。

目前，將硅材料進行納米化并與碳材料復合處理是緩解其體積膨脹和提高其循環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。相對于大塊的顆粒，納米級的硅更不易斷裂或發生粉化，并且能夠緩解循環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械應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帶來兩方面問題，一方面，硅材料在納米化過程中容易發生納米顆粒團聚現象，降低其電化學性能；另一方面，納米化會增加硅材料的比表面積，導致較多的副反應發生，使得其庫倫效率降低。

碳復合可以彌補這一缺陷，碳材料具有相對穩定的結構、循環時有限的體積膨脹、優異的導電性、機械柔性、熱穩定性和化學穩定性，不僅充當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。目前工業化常用的方法是通過硅與碳材料復合的方式來提高其電化學性能。

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

水熱法

水熱法成本低、效益高，是常見的碳包覆硅的方法。水熱過程環境友好，能夠避免雜質的引入，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

高溫熱解有利于聚合物作為碳源、納米硅或氧化硅為硅源，由于易將聚合物轉化為無定形碳，在惰性氣氛下高溫熱解生成碳包覆硅材料。聚合物高溫熱解產生的非晶碳孔隙結構更豐富，能更好地適應硅基材料的體積變化。

靜電紡絲技術

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

球磨法

球磨法具有操作簡單、成本低、可擴展、成品率高等優點，而且還具有規模化生產的潛力。硅在長時間的機械應力條件下分散或嵌入到碳基體中，球磨產生的界面空隙可以容納硅的體積膨脹。

噴霧干燥法

對于硅碳復合材料，噴霧干燥技術能夠在熱氣氛中快速干燥漿料或液體，同時實現一致的大小分布。

化學氣相沉積法

化學氣相沉積（CVD）是一種通過加熱基底表面或其附近的氣態反應物的化學反應來合成高質量薄膜或涂層的合成途徑。在硅碳負極的生產中，通常采用硅烷氣（SiH₄）作為前驅體，以碳基/石墨為基底，實現硅碳復合材料的均勻生長；或是在金屬催化劑的作用下，在材料表面均勻生長石墨烯納米片，達到封裝結構，增強材料穩定性的目的。

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，來自遼寧科技大學的狄方副教授將作題為《鋰離子電池硅碳負極微結構—應力耦合關系研究》的報告。

本報告將通過介紹基于多維度多界面設計的一系列新型硅基復合材料以解決上述問題，并將系統討論上述材料微結構形成機理及各相間界面相互作用，分析微結構調控對復合材料結構力學-循環穩定性-電化學反應動力學間的內在關系，進而獲得具有高循環比容量、倍率性能的硅基負極材料。

專家簡介：

狄方，畢業于遼寧科技大學獲化學工程與技術專業工學博士學位并留校任教?，F任遼寧科技大學化學工程學院儲能系專任教師，主要研究方向為硅碳負極材料微結構調控及其電化學性能優化，曾在《Journal of Materials Science Technology》、《Journal of Colloid And Interface Science》、《Journal of Alloys and Compounds》、《Energy & Environmental Materials》等國內外學術期刊上發表論文10余篇。作為骨干成員參與國家自然科學基金項目3項，省重點研發項目1項，主持校級項目1項。多次指導學生參加國家、省級各類創新創業比賽，獲國家級一等獎、省級二等獎、三等獎各一次。

參考來源：

柳小偉等《基于電化學-應力耦合模型的鋰離子電池硅/碳核殼結構的模擬與優化》

高嘉祺《硅碳負極材料的維度設計、制備及在鋰離子電池中的應用》

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