硅碳負極用多孔碳材料比表面積和孔隙結構的表征方法

    為突破傳統石墨負極性能瓶頸，硅基負極憑借 4200mAh/g 的理論比容量成為關鍵方向，化學氣相沉積（CVD）技術因可實現硅在碳基質上均勻沉積、構建穩定硅碳界面，成為硅碳負極產業化核心工藝路線。多孔碳材料作為 CVD 硅碳負極的 “骨架核心"，其比表面積與孔隙結構等性能直接影響復合材料電化學性能和產業化可行性。

理想的多孔碳骨架需要具備多級孔道系統，包括微孔(＜2nm)、中孔(2～50nm)和大孔(＞50nm)，以滿足不同功能需求。在不同應用場景下，對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，最終的產品在性能上也表現出顯著差異。

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鍵參數之一，通常要求在1000-2000 m2/g范圍內。高比表面積能夠提供更多的硅沉積位點，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不同多孔碳骨架材料的表征案例。為了確保測試的準確性，測試前需對多孔碳骨架材料進行充分的前處理。測試前，樣品先在90℃真空條件下加熱處理1小時，然后在300℃真空條件下加熱6小時進行脫氣處理，除去表面水分及其他雜質成分，獲得潔凈的表面，這也是確保微孔結構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BET比表面積測試結果

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，結合多點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，減少團聚發生。然而，更大的比表面積會導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。因此需要根據不同性能電池的需求來設計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

研究發現，一些硅碳負極材料即使擁有相近的比表面積，其電化學性能卻相差甚遠。導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其結構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，通過對不同多孔碳骨架材料的N2吸附-脫附等溫曲線（左圖）進行分析可知，在相對壓力較小時，N2吸附量隨相對壓力升高而急劇增加，表明材料中含有豐富的微孔結構，也即在此階段發生微孔填孔。通過HK-微孔孔徑分布圖分析可發現，其分別在0.407 nm和0.435 nm處有一個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其全孔徑進行分析，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載位點，中孔作為硅納米顆粒沉積的主要場所并促進鋰離子傳輸，而大孔則作為電解液滲透和離子快速擴散的通道。以上孔徑分布的分析對于調節硅碳負極材料的多孔碳骨架材料的結構以及提升其電化學性能起到關鍵作用。

國儀量子SiCOPE40比表面積及孔徑分析儀

SiCOPE40專為微孔材料精準表征而設計，在0.35-2 nm孔徑范圍的測量精準度達到國際領先水平。依托精密管路設計和高品質核心部件，結合強大且靈活的數據分析模型，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研發多領域突破。

產品特點

l      精準控氣 效能提升

采用高精度比例閥與電磁閥聯動控制技術，確保目標壓力點的快速精準控制，大幅提升儀器運行效率，控氣精度達±0.5 mmHg。

l       精準控漏 精度領航

創新性自研自鎖閥、電磁閥等核心部件，技術自主可控，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，解決微孔材料BET段前移的選點問題，消除不同人員處理數據的偏差。

l      無塵精裝 穩定保障

核心模塊在ISO Class 7萬級潔凈間（電鏡級裝配標準）完成全密封組裝，相較傳統裝配環境潔凈度提升兩個數量級，確保氣路系統的可靠性和穩定性。

l      自動后標 零氦測試

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

l     靈活脫氣 轉移無憂

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移至分析站過程零污染。

l      人性設計 省力高效

垂直上推式防護門操作便捷、節省空間；杜瓦瓶設計符合人體工學，方便拿取；設備底座內嵌進度燈條實時反饋測試進度。