CVD硅碳負(fù)極的核心材料——多孔碳的制備與孔調(diào)控

化學(xué)氣相沉積（CVD）法制備硅碳負(fù)極材料是當(dāng)前鋰離子電池領(lǐng)域最具發(fā)展前景的技術(shù)路線之一，其核心在于通過多孔碳骨架來儲硅。多孔碳作為CVD硅碳負(fù)極的載體材料，其性能直接決定了最終復(fù)合材料的電化學(xué)表現(xiàn)和產(chǎn)業(yè)化可行性。

多孔碳的制備

多孔碳材料常用的制備方法有活化法、模板法和溶膠-凝膠法。

活化法

活化法是將碳前驅(qū)體與活化劑混合后在高溫惰性氣體的條件下在碳前驅(qū)體上發(fā)生造孔反應(yīng)的一種方法?；罨ǚ譃槲锢砘罨ê突瘜W(xué)活化法，物理活化法包括兩個步驟：（1）利用高溫（通常800℃以上）將碳前驅(qū)體進(jìn)行碳化；（2）使用水蒸汽或者二氧化碳作為活化劑與碳前驅(qū)體反應(yīng)達(dá)到造孔的目的。然而物理活化法只發(fā)生在碳材料的表面，活化作用力較弱，因此大多采用化學(xué)活化的方法。化學(xué)活化法利用化學(xué)試劑在高溫條件下與碳前驅(qū)體反應(yīng)以達(dá)到造孔的目的。

模板法

模板法是將碳前驅(qū)體填充到模板內(nèi)，然后對碳前驅(qū)體/模板進(jìn)行高溫加熱，使碳前驅(qū)體逐漸碳化，最后將模板去除獲得多孔碳材料的一種方法。模板的主要作用是提供制備相應(yīng)多孔碳材料所需的模具，模板與碳前驅(qū)體之間不會發(fā)生相互作用，得到的多孔碳材料的孔結(jié)構(gòu)與模板相似。根據(jù)模板與客體的作用力的不同，模板法可以分為硬模板法和軟模板法。

硬模板法可以得到結(jié)構(gòu)有序的材料，但是存在硬模板劑毒性強的問題，在后期處理時還需加入酸或者堿去除模板，增加了成本，這些因素都阻礙了硬模板法的實際應(yīng)用。與硬模板法相比，軟模板劑與碳前體之間的相互作用力也促進(jìn)了多孔碳材料孔隙率的增加，同時軟模板法在合成過程中采用的模板劑可以采用更溫和、更安全的方法去除。

溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法是通過醇鹽或者金屬無機鹽與溶劑混合形成溶液，經(jīng)水解、縮聚形成溶膠-凝膠，隨后經(jīng)過陳化、干燥、低溫?zé)Y(jié)等工藝來制備多孔碳材料的一種方法。在采用溶膠-凝膠法合成多孔碳材料時，常常會在干燥階段造成孔道結(jié)構(gòu)的坍塌。為避免此現(xiàn)象，常采用模板法輔助溶膠凝膠的方法合成多孔碳材料。

多孔碳的孔調(diào)控

多孔碳的孔隙結(jié)構(gòu)特性是CVD法硅碳負(fù)極工藝中最為核心的性能指標(biāo)，直接影響硅的負(fù)載量、分布均勻性以及循環(huán)穩(wěn)定性。理想的多孔碳骨架需要具備多級孔道系統(tǒng)，包括微孔（<2nm）、中孔（2-50nm）和大孔（>50nm），以滿足不同功能需求。微孔主要提供高比表面積以增加硅負(fù)載位點，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。

微孔調(diào)控

多孔炭常用的微孔調(diào)控方法有物理活化法、高溫重整法、聚合物共混炭化法及模板法等，其作用原理是：通過高溫、調(diào)控模板孔徑和控制活化劑含量等方法，在材料內(nèi)部形成發(fā)達(dá)的微孔結(jié)構(gòu)，從而制備出微孔炭材料。

介孔調(diào)控

模板法是多孔炭進(jìn)行介孔調(diào)控最為常用的方法，其作用原理是通過預(yù)先選擇具有合適孔道結(jié)構(gòu)的模板劑，先將木質(zhì)素碳源與模板劑結(jié)合進(jìn)行造孔，再將模板劑去除，最后得到介孔尺寸、孔徑分布均一的介孔炭。

大孔調(diào)控

目前多孔炭的大孔調(diào)控方法主要有模板法和炭氣凝膠法。與微孔和介孔炭材料相比，大孔炭材料具有更明顯的三維空間有序性，這一性質(zhì)使其在催化劑載體、吸附分離、電極材料和生物材料等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

信息來源：

劉瑋等.多孔碳材料的制備及應(yīng)用進(jìn)展

曾茂株等.木質(zhì)素多孔炭的制備及應(yīng)用研究進(jìn)展

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