為突破傳統(tǒng)石墨負(fù)極性能瓶頸，硅基負(fù)極憑借 4200mAh/g 的理論比容量成為關(guān)鍵方向，化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)因可實(shí)現(xiàn)硅在碳基質(zhì)上均勻沉積、構(gòu)建穩(wěn)定硅碳界面，成為硅碳負(fù)極產(chǎn)業(yè)化核心工藝路線。多孔碳材料作為 CVD 硅碳負(fù)極的 “骨架核心"，其比表面積與孔隙結(jié)構(gòu)等性能直接影響復(fù)合材料電化學(xué)性能和產(chǎn)業(yè)化可行性。

理想的多孔碳骨架需要具備多級(jí)孔道系統(tǒng)，包括微孔(＜2nm)、中孔(2～50nm)和大孔(＞50nm)，以滿足不同功能需求。在不同應(yīng)用場景下，對(duì)多孔碳骨架的比表面積、孔徑分布、孔容和孔隙率等特性有不同的要求，最終的產(chǎn)品在性能上也表現(xiàn)出顯著差異。

圖片來源：AI生成

一、多孔碳骨架材料的比表面積表征

那測試多孔碳材料孔徑用什么儀器比較好？比表面積是多孔碳的關(guān)鍵參數(shù)之一，通常要求在1000-2000 m2/g范圍內(nèi)。高比表面積能夠提供更多的硅沉積位點(diǎn)，從而提高材料的整體克容量。以下是采用國儀量子自研的比表面積及孔徑分析儀對(duì)不同多孔碳骨架材料的表征案例。為了確保測試的準(zhǔn)確性，測試前需對(duì)多孔碳骨架材料進(jìn)行充分的前處理。測試前，樣品先在90℃真空條件下加熱處理1小時(shí)，然后在300℃真空條件下加熱6小時(shí)進(jìn)行脫氣處理，除去表面水分及其他雜質(zhì)成分，獲得潔凈的表面，這也是確保微孔結(jié)構(gòu)表征充分的前提條件。

圖1 兩種多孔碳骨架材料（左：1#，右：2#）的多點(diǎn)BET比表面積測試結(jié)果

圖2 兩種多孔碳骨架材料（左：1#，右：2#）的t-plot法微孔面積測試結(jié)果

如圖1所示，通過N2吸附測試可知，1#和2#兩種多孔碳骨架材料的多點(diǎn)BET比表面積分別為1438 m2/g和1823 m2/g。此外，通過t-Plot方程（圖2）可得到兩種多孔碳材料的微孔面積分別為：1070 m2/g和1646 m2/g，結(jié)合多點(diǎn)BET方程，可得到兩種多孔碳的微孔面積占比分別為：74.4%和90.3%，較大的微孔面積也能很好的分散硅納米顆粒，減少團(tuán)聚發(fā)生。然而，更大的比表面積會(huì)導(dǎo)致更多的電解液和電極材料生成固體SEI膜，因此造成電解液中部分鋰離子被消耗，電池的首次庫侖效率降低。因此需要根據(jù)不同性能電池的需求來設(shè)計(jì)選擇不同比表面積的多孔碳骨架材料。

四、多孔碳骨架材料的孔徑分布表征

研究發(fā)現(xiàn)，一些硅碳負(fù)極材料即使擁有相近的比表面積，其電化學(xué)性能卻相差甚遠(yuǎn)。導(dǎo)致這種情況的原因之一就是其孔徑分布不同，也即多孔碳骨架材料的孔徑對(duì)其結(jié)構(gòu)和性能有較大的影響。那測試多孔碳材料孔徑用什么儀器比較好？以下是采用國儀量子自研的比表面積及孔徑分析儀對(duì)不同多孔碳骨架材料的表征案例。

圖3 多孔碳骨架材料3#的N2吸附-脫附等溫線（左圖）

和HK-微孔孔徑分布圖（右圖）

圖4 多孔碳骨架材料4#的N2吸附-脫附等溫線（左圖）和

HK-微孔孔徑分布圖（右圖）

如圖3和圖4所示，通過對(duì)不同多孔碳骨架材料的N2吸附-脫附等溫曲線（左圖）進(jìn)行分析可知，在相對(duì)壓力較小時(shí)，N2吸附量隨相對(duì)壓力升高而急劇增加，表明材料中含有豐富的微孔結(jié)構(gòu)，也即在此階段發(fā)生微孔填孔。通過HK-微孔孔徑分布圖分析可發(fā)現(xiàn)，其分別在0.407 nm和0.435 nm處有一個(gè)集中的微孔孔徑分布，也即其最可能集中分布的孔徑大小。

圖5 不同多孔碳骨架材料的NLDFT全孔徑分析模型

此外，用NLDFT非定域密度泛函理論來對(duì)其全孔徑進(jìn)行分析，如圖5所示，通過NLDFT全孔徑模型分析可知，其總孔容分別為：0.84 cm3/g和0.96 cm3/g，微孔孔容分別為：0.70 cm3/g和0.73 cm3/g，因此，微孔占比分別為：87.5%和76.0%。研究表明微孔主要提供高比表面積以增加硅負(fù)載位點(diǎn)，中孔作為硅納米顆粒沉積的主要場所并促進(jìn)鋰離子傳輸，而大孔則作為電解液滲透和離子快速擴(kuò)散的通道。以上孔徑分布的分析對(duì)于調(diào)節(jié)硅碳負(fù)極材料的多孔碳骨架材料的結(jié)構(gòu)以及提升其電化學(xué)性能起到關(guān)鍵作用。

國儀量子SiCOPE40比表面積及孔徑分析儀

SiCOPE40專為微孔材料精準(zhǔn)表征而設(shè)計(jì)，在0.35-2 nm孔徑范圍的測量精準(zhǔn)度達(dá)到國際領(lǐng)先水平。依托精密管路設(shè)計(jì)和高品質(zhì)核心部件，結(jié)合強(qiáng)大且靈活的數(shù)據(jù)分析模型，為分子篩、多孔碳、MOFs等材料研究提供了高分辨率分析保障，助力科研探索與工業(yè)研發(fā)多領(lǐng)域突破。

產(chǎn)品特點(diǎn)

l      精準(zhǔn)控氣 效能提升

采用高精度比例閥與電磁閥聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)，確保目標(biāo)壓力點(diǎn)的快速精準(zhǔn)控制，大幅提升儀器運(yùn)行效率，控氣精度達(dá)±0.5 mmHg。

l       精準(zhǔn)控漏 精度領(lǐng)航

創(chuàng)新性自研自鎖閥、電磁閥等核心部件，技術(shù)自主可控，極低漏率為低壓微孔段測試提供高精度保障。

l      模型精鑄 洞見非凡

軟件內(nèi)置算法集成BET、Langmuir、HK等常用分析模型及不少于40種NLDFT模型；BET一鍵智能選點(diǎn)，解決微孔材料BET段前移的選點(diǎn)問題，消除不同人員處理數(shù)據(jù)的偏差。

l      無塵精裝 穩(wěn)定保障

核心模塊在ISO Class 7萬級(jí)潔凈間（電鏡級(jí)裝配標(biāo)準(zhǔn)）完成全密封組裝，相較傳統(tǒng)裝配環(huán)境潔凈度提升兩個(gè)數(shù)量級(jí)，確保氣路系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

l      自動(dòng)后標(biāo) 零氦測試

采用He-Free自由空間后置標(biāo)定方案，從源頭消除氦氣殘留對(duì)測試的干擾，為超微孔材料精準(zhǔn)分析提供可靠方案。

l     靈活脫氣 轉(zhuǎn)移無憂

支持原位與異位兩種脫氣方式，提供空氣隔離塞或真空隔離塞，保障微孔樣品從脫氣站轉(zhuǎn)移至分析站過程零污染。

l      人性設(shè)計(jì) 省力高效

垂直上推式防護(hù)門操作便捷、節(jié)省空間；杜瓦瓶設(shè)計(jì)符合人體工學(xué)，方便拿?。辉O(shè)備底座內(nèi)嵌進(jìn)度燈條實(shí)時(shí)反饋測試進(jìn)度。