轻如鸿毛，能如虎！碳气凝胶推动硅碳负极革新

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发布时间：2025-04-18
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我们常用“轻如鸿毛”来形容一个物质的重量很轻，但现在时代变了，比鸿毛更轻的物质已经出现。浙江大学的科学家们打破了吉尼斯世界纪录，他们研制出了世界上最轻固体---“全碳气凝胶”。

硅碳负极材料的挑战

随着全球能源需求的不断增长和环保意识的提高，新能源材料的研究和开发受到了广泛关注。在众多新能源材料中，硅碳负极材料因其高能量密度、长循环寿命等特点，成为锂离子电池领域的研究热点。然而，硅材料在充放电过程中体积膨胀和收缩的问题，限制了其在商业化应用中的推广。碳气凝胶作为一种轻质、多孔、非晶态纳米炭材料，因其独特的网络结构，具有导电性好、比表面积大、密度变化范围宽等特点，被认为是理想的电化学能源材料。本文将探讨碳气凝胶在硅碳负极材料中的应用及其对电池性能的影响。

硅碳负极材料结合了硅的高比容量和碳材料的良好导电性，是新一代负极材料的研究热点。然而，硅材料在充放电过程中体积膨胀和收缩的问题，导致了电池容量的衰减和循环稳定性的下降。此外，硅材料的首次库仑效率低，也影响了电池的整体性能。因此，如何有效地解决硅材料的体积膨胀问题，提高硅碳负极材料的循环稳定性和首次库仑效率，是当前研究的重点。

碳气凝胶的电化学优势

碳气凝胶是一种具有三维网络结构的轻质多孔材料，其独特的纳米结构赋予了它优异的物理和化学性质。碳气凝胶的比表面积大，可以达到几百甚至上千平方米每克，这使得它在电化学储能领域具有极高的应用潜力。此外，碳气凝胶的导电性好，可以有效地提高电池的电导率，从而提升电池的充放电性能。碳气凝胶的密度变化范围宽，可以在纳米尺度上进行控制和剪裁，这为设计和制备高性能的电池负极材料提供了可能。

碳气凝胶在硅碳负极中的应用

碳气凝胶的引入可以显著改善硅碳负极材料的性能。首先，碳气凝胶的三维网络结构可以作为硅纳米颗粒的支撑框架，有效地缓解硅材料在充放电过程中的体积变化，从而提高电池的循环稳定性。其次，碳气凝胶的高比表面积可以提供更多的活性位点，增加硅材料与电解液的接触面积，从而提高电池的充放电性能。此外，碳气凝胶的导电性好，可以有效地提高电池的电导率，从而提升电池的充放电性能。

研究成果

近年来，关于碳气凝胶修饰硅碳负极材料的研究取得了一系列成果。例如，通过超临界干燥法制备的碳气凝胶，然后通过简单的化学还原法制备的CA/Sn-Sb复合负极材料，首次放电容量高达1120.2 mAh/g，循环50次后放电容量仍达到557.3 mAh/g，远高于未经碳气凝胶修饰的Sn-Sb合金。这表明碳气凝胶的引入可以显著改善硅碳负极材料的循环性能。

2024年2月21日，据国家知识产权局公告，中国第一汽车股份有限公司申请一项名为“一种硅碳复合气凝胶及其制备方法和应用“，公开号CN117577818A，申请日期为2024年1月。本发明通过化学气相沉积的方法将硅颗粒沉积在碳纤维聚合物气凝胶的孔隙中，用于解决硅碳复合材料所存在的硅膨胀收缩时界面接触不良、碳的孔穴结构限制硅复合比例等技术缺陷，广泛适用于各类电池，具有良好的应用前景。

展望

碳气凝胶作为一种理想的电化学能源材料，在硅碳负极材料中的应用显示出了巨大的潜力。通过碳气凝胶的引入，可以有效解决硅材料在充放电过程中的体积膨胀问题，提高硅碳负极材料的循环稳定性和首次库仑效率。未来的研究需要进一步优化碳气凝胶的结构和性能，探索更高效的制备方法，以实现硅碳负极材料的商业化应用。同时，还需要深入研究硅碳负极材料的电化学反应机制，为设计和制备高性能的电池负极材料提供理论指导。

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“乾坤未定，你我皆黑马，莫以一时得失定天下。”

或许碳气凝胶就是是下一代碳基底。

信息来源：Carbontech

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