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)。浙江大學的科學家們打破了吉尼斯世界紀錄，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)絡結(jié)構(gòu)，具有導電性好、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能源材料。本文將探討碳氣凝膠在硅碳負極材料中的應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，是當前研究的重點。

碳氣凝膠的電化學優(yōu)勢

碳氣凝膠是一種具有三維網(wǎng)絡結(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，這使得它在電化學儲能領(lǐng)域具有極高的應用潛力。此外，碳氣凝膠的導電性好，可以有效地提高電池的電導率，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，碳氣凝膠的導電性好，可以有效地提高電池的電導率，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還原法制備的CA/Sn-Sb復合負極材料，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“一種硅碳復合氣凝膠及其制備方法和應用“，公開號CN117577818A，申請日期為2024年1月。本發(fā)明通過化學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)限制硅復合比例等技術(shù)缺陷，廣泛適用于各類電池，具有良好的應用前景。

展望

碳氣凝膠作為一種理想的電化學能源材料，在硅碳負極材料中的應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)化應用。同時，還需要深入研究硅碳負極材料的電化學反應機制，為設計和制備高性能的電池負極材料提供理論指導。

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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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