硅碳负极用多孔碳材料比表面积和孔隙结构的表征方法

为突破传统石墨负极性能瓶颈，硅基负极凭借 4200mAh/g 的理论比容量成为关键方向，化学气相沉积（CVD）技术因可实现硅在碳基质上均匀沉积、构建稳定硅碳界面，成为硅碳负极产业化核心工艺路线。多孔碳材料作为 CVD 硅碳负极的 “骨架核心”，其比表面积与孔隙结构等性能直接影响复合材料电化学性能和产业化可行性。

理想的多孔碳骨架需要具备多级孔道系统，包括微孔(＜2nm)、中孔(2～50nm)和大孔(＞50nm)，以满足不同功能需求。在不同应用场景下，对多孔

如图1所示，通过N2吸附测试可知，1#和2#两种多孔碳骨架材料的多点BET比表面积分别为1438 m2/g和1823 m2/g。此外，通过t-Plot方程（图2）可得到两种多孔碳材料的微孔面积分别为：1070 m2/g和1646 m2/g，结合多点BET方程，可得到两种多孔碳的微孔面积占比分别为：74.4%和90.3%，较大的微孔面积也能很好的分散硅纳米颗粒，减少团聚发生。然而，更大的比表面积会导致更多的电解液和电极材料生成固体SEI膜，因此造成电解液中部分锂离子被消耗，电池的首次库仑效率降低。因此需要根据不同性能电池的需求来设计选择不同比表面积的多孔碳骨架材料。

四、多孔碳骨架材料的孔径分布表征

研究发现，一些硅碳负极材料即使拥有相近的比表面积，其电化学性能却相差甚远。导致这种情况的原因之一就是其孔径分布不同，也即多孔碳骨架材料的孔径对其结构和性能有较大的影响。测试多孔炭材料孔径分布用哪家设备更好？以下是采用国仪量子自研的比表面积及孔径分析仪对不同多孔碳骨架材料的表征案例。

如图3和图4所示，通过对不同多孔碳骨架材料的N2吸附-脱附等温曲线（左图）进行分析可知，在相对压力较小时，N2吸附量随相对压力升高而急剧增加，表明材料中含有丰富的微孔结构，也即在此阶段发生微孔填孔。通过HK-微孔孔径分布图分析可发现，其分别在0.407 nm和0.435 nm处有一个集中的微孔孔径分布，也即其最可能集中分布的孔径大小。

图5 不同多孔碳骨架材料的NLDFT全孔径分析模型

此外，用NLDFT非定域密度泛函理论来对其全孔径进行分析，如图5所示，通过NLDFT全孔径模型分析可知，其总孔容分别为：0.84 cm3/g和0.96 cm3/g，微孔孔容分别为：0.70 cm3/g和0.73 cm3/g，因此，微孔占比分别为：87.5%和76.0%。研究表明微孔主要提供高比表面积以增加硅负载位点，中孔作为硅纳米颗粒沉积的主要场所并促进锂离子传输，而大孔则作为电解液渗透和离子快速扩散的通道。以上孔径分布的分析对于调节硅碳负极材料的多孔碳骨架材料的结构以及提升其电化学性能起到关键作用。

国仪量子SiCOPE40比表面积及孔径分析仪

SiCOPE40专为微孔材料精准表征而设计，在0.35-2 nm孔径范围的测量精准度达到国际领先水平。依托精密管路设计和高品质核心部件，结合强大且灵活的数据分析模型，为分子筛、多孔碳、MOFs等材料研究提供了高分辨率分析保障，助力科研探索与工业研发多领域突破。

产品特点

l 精准控气 效能提升

采用高精度比例阀与电磁阀联动控制技术，确保目标压力点的快速精准控制，大幅提升仪器运行效率，控气精度达±0.5 mmHg。

l 精准控漏 精度领航

创新性自研自锁阀、电磁阀等核心部件，技术自主可控，极低漏率为低压微孔段测试提供高精度保障。

l 模型精铸 洞见非凡

软件内置算法集成BET、Langmuir、HK等常用分析模型及不少于40种NLDFT模型；BET一键智能选点，解决微孔材料BET段前移的选点问题，消除不同人员处理数据的偏差。

l 无尘精装 稳定保障

核心模块在ISO Class 7万级洁净间（电镜级装配标准）完成全密封组装，相较传统装配环境洁净度提升两个数量级，确保气路系统的可靠性和稳定性。

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采用He-Free自由空间后置标定方案，从源头消除氦气残留对测试的干扰，为超微孔材料精准分析提供可靠方案。

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垂直上推式防护门操作便捷、节省空间；杜瓦瓶设计符合人体工学，方便拿取；设备底座内嵌进度灯条实时反馈测试进度。