多孔炭-CVD硅碳负极的关键材料

        硅基负极具有远超石墨的理论比容量，被业界普遍视为最有前景的下一代锂电池负极材料。在诸多技术路线中，CVD（气相沉积）法硅碳在性能、成本和稳定性方面最具优势，被视为硅基负极的终局发展方向。

       多孔炭是CVD硅碳材料的骨架，对材料性能起到关键作用。

       多孔炭是一种特殊的活性炭材料，具备高度发达的孔隙结构，具有比表面积大、导电性能优良、耐酸碱腐蚀等特点。根据国际纯粹及应用化学联合会（IUPAC）的定义，其孔径可分为微孔（<2nm）、中孔（介孔）（2-50nm）、大孔（>50nm）三类。

      多孔炭在硅碳负极中作为骨架材料使用。CVD法硅碳的做法是将硅烷通入多孔炭，然后将硅烷热解生成纳米硅颗粒，使其沉积在多孔炭孔隙中生成硅碳复合材料；之后再进行碳包覆，即可用于制备负极。

       硅碳负极在使用中有两个最大的问题，一是硅在嵌锂过程中体积膨胀巨大，会导致材料粉化；二是硅与电解液会发生副反应，反复生成过厚的SEI膜，消耗活性锂，降低电池首效和循环次数。通过使用基于多孔炭的CVD工艺，这两个问题都得到了很好的解决。一方面，多孔炭内部的孔隙可以缓冲硅在嵌锂过程中的体积膨胀；另一方面，碳包覆减少了硅与电解液的直接接触，抑制了SEI膜的重复生长，可以提升锂电池首次效率和循环性能。

        由于具有超高的比表面积，多孔炭除了作为硅碳负极的骨架材料之外，还可以用来做吸附材料、催化剂载体、超级电容器的电极等。

        根据原材料的不同，多孔炭主要分为生物基和树脂基两种，此外还有以石油焦、煤焦为原料的较为小众的路线。

      生物基多孔炭的原料是天然有机物，椰壳、竹子、稻壳、木屑、淀粉等都可以作为原料，实际应用最多的是椰壳。生物基多孔炭的优点是来源广泛、成本低廉。

      树脂基多孔炭是由高分子聚合物炭化而成，其主要优点是孔隙的均一性和批次一致性更好，这对动力电池的性能至关重要；缺点是成本高昂，其单吨成本是生物基多孔炭的5倍左右。由于锂电池材料行业对成本极其敏感，因此树脂基多孔炭还需要进一步降低成本。

       为了增加孔隙数量，需要对炭化的前驱体进行造孔，称为“活化”，分为物理活化和化学活化。

      物理活化是指利用二氧化碳、水蒸气等作为活化剂，在高温下使其生成活性氧，进而使材料发生氧化，从而发生开孔、扩孔、造孔作用，形成孔隙。物理活化制备活性炭的生产工艺简单、清洁，不存在设备腐蚀和环境污染的问题，产品不需要清洗即可直接使用。不过物理活化的作用力较弱，因此大多采用化学活化法。

     化学活化是使用KOH、K2FeO4、磷酸或ZnCl2等试剂作为活化剂，与前驱体按一定质量比例相混合，在高温下使其与碳前驱体发生反应来达到造孔的目的。相较于物理活化法，化学活化可以得到具有更高比表面积和微孔率的产品，但是对设备要求更高，过程中污染也较大。

      日本可乐丽是电池级多孔炭的龙头供应商，产品性能稳定，一致性好。超级电容和硅碳负极使用的多孔炭产品是相同的，目前国内大部分超级电容器厂家均采购可乐丽的产品。

      国内的电池级多孔炭产能多由传统活性炭厂商扩产而来，产能较大的厂商有圣泉股份、元力股份、常州创明、阿佩克斯、浦士达等。与日本可乐丽的产品相比，国内产品的批次一致性仍有待进一步提高。

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