輕如鴻毛，能如虎！碳氣凝膠推動硅碳負極革新

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發(fā)布時間：2025-04-18
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我們常用“輕如鴻毛”來形容一個物質(zhì)的重量很輕，但現(xiàn)在時代變了，比鴻毛更輕的物質(zhì)已經(jīng)出現(xiàn)。浙江大學(xué)的科學(xué)家們打破了吉尼斯世界紀(jì)錄，他們研制出了世界上最輕固體---“全碳氣凝膠”。

硅碳負極材料的挑戰(zhàn)

隨著全球能源需求的不斷增長和環(huán)保意識的提高，新能源材料的研究和開發(fā)受到了廣泛關(guān)注。在眾多新能源材料中，硅碳負極材料因其高能量密度、長循環(huán)壽命等特點，成為鋰離子電池領(lǐng)域的研究熱點。然而，硅材料在充放電過程中體積膨脹和收縮的問題，限制了其在商業(yè)化應(yīng)用中的推廣。碳氣凝膠作為一種輕質(zhì)、多孔、非晶態(tài)納米炭材料，因其獨特的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有導(dǎo)電性好、比表面積大、密度變化范圍寬等特點，被認為是理想的電化學(xué)能源材料。本文將探討碳氣凝膠在硅碳負極材料中的應(yīng)用及其對電池性能的影響。

硅碳負極材料結(jié)合了硅的高比容量和碳材料的良好導(dǎo)電性，是新一代負極材料的研究熱點。然而，硅材料在充放電過程中體積膨脹和收縮的問題，導(dǎo)致了電池容量的衰減和循環(huán)穩(wěn)定性的下降。此外，硅材料的首次庫侖效率低，也影響了電池的整體性能。因此，如何有效地解決硅材料的體積膨脹問題，提高硅碳負極材料的循環(huán)穩(wěn)定性和首次庫侖效率，是當(dāng)前研究的重點。

碳氣凝膠的電化學(xué)優(yōu)勢

碳氣凝膠是一種具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)多孔材料，其獨特的納米結(jié)構(gòu)賦予了它優(yōu)異的物理和化學(xué)性質(zhì)。碳氣凝膠的比表面積大，可以達到幾百甚至上千平方米每克，這使得它在電化學(xué)儲能領(lǐng)域具有極高的應(yīng)用潛力。此外，碳氣凝膠的導(dǎo)電性好，可以有效地提高電池的電導(dǎo)率，從而提升電池的充放電性能。碳氣凝膠的密度變化范圍寬，可以在納米尺度上進行控制和剪裁，這為設(shè)計和制備高性能的電池負極材料提供了可能。

碳氣凝膠在硅碳負極中的應(yīng)用

碳氣凝膠的引入可以顯著改善硅碳負極材料的性能。首先，碳氣凝膠的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以作為硅納米顆粒的支撐框架，有效地緩解硅材料在充放電過程中的體積變化，從而提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性。其次，碳氣凝膠的高比表面積可以提供更多的活性位點，增加硅材料與電解液的接觸面積，從而提高電池的充放電性能。此外，碳氣凝膠的導(dǎo)電性好，可以有效地提高電池的電導(dǎo)率，從而提升電池的充放電性能。

研究成果

近年來，關(guān)于碳氣凝膠修飾硅碳負極材料的研究取得了一系列成果。例如，通過超臨界干燥法制備的碳氣凝膠，然后通過簡單的化學(xué)還原法制備的CA/Sn-Sb復(fù)合負極材料，首次放電容量高達1120.2 mAh/g，循環(huán)50次后放電容量仍達到557.3 mAh/g，遠高于未經(jīng)碳氣凝膠修飾的Sn-Sb合金。這表明碳氣凝膠的引入可以顯著改善硅碳負極材料的循環(huán)性能。

2024年2月21日，據(jù)國家知識產(chǎn)權(quán)局公告，中國第一汽車股份有限公司申請一項名為“一種硅碳復(fù)合氣凝膠及其制備方法和應(yīng)用“，公開號CN117577818A，申請日期為2024年1月。本發(fā)明通過化學(xué)氣相沉積的方法將硅顆粒沉積在碳纖維聚合物氣凝膠的孔隙中，用于解決硅碳復(fù)合材料所存在的硅膨脹收縮時界面接觸不良、碳的孔穴結(jié)構(gòu)限制硅復(fù)合比例等技術(shù)缺陷，廣泛適用于各類電池，具有良好的應(yīng)用前景。

展望

碳氣凝膠作為一種理想的電化學(xué)能源材料，在硅碳負極材料中的應(yīng)用顯示出了巨大的潛力。通過碳氣凝膠的引入，可以有效解決硅材料在充放電過程中的體積膨脹問題，提高硅碳負極材料的循環(huán)穩(wěn)定性和首次庫侖效率。未來的研究需要進一步優(yōu)化碳氣凝膠的結(jié)構(gòu)和性能，探索更高效的制備方法，以實現(xiàn)硅碳負極材料的商業(yè)化應(yīng)用。同時，還需要深入研究硅碳負極材料的電化學(xué)反應(yīng)機制，為設(shè)計和制備高性能的電池負極材料提供理論指導(dǎo)。

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“乾坤未定，你我皆黑馬，莫以一時得失定天下。”

或許碳氣凝膠就是是下一代碳基底。

信息來源：Carbontech

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