多孔碳及CVD硅碳在单颗粒&粉体层级的力学性能评估

元能科技 2026-04-08 | 阅读：140

前言

硅因4200mAh/g的高理论比容量及环境友好性成为锂离子电池极具潜力的负极材料，但其高体积膨胀（>300%）、低导电性和电极粉化问题严重限制其规模化应用；化学气相沉积（CVD）硅作为新一代代硅基负极技术路线，主要通过硅烷在多孔碳基体上原位沉积来实现，结合多孔碳优异的导电性和机械支撑作用，制备的硅碳复合材料兼具高首效、优异循环稳定性和高比容量（最高达2148mAh/g），目前已逐步商业化应用，国内硅碳行业更是于2024年正式落地《硅基负极材料》及《硅碳负极材料拥多孔碳》两项团体标准。

图1. 硅基负极&多孔碳团体标准

气相沉积硅（CVD）是硅基负极的核心，其碳基体多孔碳和成品硅碳均具有较高的要求，其中良好的机械性能更是多孔碳及硅碳材料关注的重点，当前机械性能的评估无法用单一维度衡量，之前的研究中多通过循环后的电极结构完整性来评估，随着行业的发展，材料机械性能的关注度越来越高，其中力学性能评估也作为代表性指标被披露，逐步构建起了单颗粒、粉体、极片、电芯的多层级力学性能评估方案，本文选取了多孔碳和CVD硅碳样品，分别从单颗粒压溃、粉体卸压反弹及粉体应力应变反弹三个维度进行差异及关联性评估。

1、测试部分

1.1、实验及样品

取D50接近的多孔碳（Sample A）和CVD硅碳(Sample B)分别进行单颗粒压溃强度测试、粉体状态卸压反弹测试及粉体状态应力应变加压卸压测试。

1.2、实验仪器

1.2.1、单颗粒压溃性能评估：元能科技SPFT系列单颗粒力学性能测试系统（图2a）。

1.2.2、粉体卸压反弹&应力应变评估：元能科技PRCD系列粉末电阻率&压实密度仪（图2b）

图2.(a) 单颗粒力学性能测试系统（SPFT2000）

(b) 粉末电阻率&压实密度仪（PRCD3100）

2、结果与讨论

2.1、单颗粒压溃性能评估

结合SPFT系列设备选取多孔碳（Sample A）和CVD硅碳(Sample B)D50尺寸下的颗粒进行单颗粒压溃强度评估。如图3为两款材料的单颗粒压溃性能评估曲线及颗粒压溃点数据，结果显示多孔碳在10.7112mN时发生了颗粒破碎，而CVD硅碳在28.7432mN时发生破碎，单从这一指标可以明确选取的两款材料中CVD硅碳具有更高的耐压强度。实际在材料力学性能评估中，材料从受压到发生破碎往往需要经过弹性形变、塑性形变、溃散三个阶段，从颗粒破碎前的曲线来看，同一应力下，多孔碳材料的形变量更大。

图3.单颗粒压溃性能评估曲线及颗粒压溃点数据

2.2、粉体卸压反弹性能评估

粉体卸压模式下的压实密度评估是锂电材料质量评估的关键手段，实际测量过程中材料随压力的变化会伴随颗粒间空隙排空、颗粒的流动重排及弹塑性形变的发生，整体粉体厚度会逐步变小，压力被卸载后由于颗粒间相斥的应力及颗粒自身的反弹效应，材料会有不同程度的厚度反弹，这里将卸压条件下的厚度减去加压条件下的厚度定义为厚度反弹，如图4（a）为卸压模式的压力施加方式，4（b）为两款材料的厚度反弹曲线，从曲线上可以明显看出多孔碳（Sample A）的反弹形变大于CVD沉积硅，这一结果与单颗粒的结果相对应，进一步明确了所选取的两款材料的力学性能差异。

图4.(a) 粉体卸压反弹压力施加方式；(b) 粉体卸压反弹厚度曲线

2.3、粉体应力应变性能评估

应力应变曲线是描述材料在外力作用下，内部应力与产生应变之间的关系，是材料力学的核心分析工具。该曲线可直观地反映了材料从弹性变形到塑性变形，直至最终断裂的全过程力学行为，是评估材料强度、刚度、塑性和韧性等关键力学性能的依据。本文为进一步明确所选取的两款材料之间的力学差异，分别对两款粉体进行了5-369MPa条件下的应力应变测试，如图5（a）为应力应变评估力的施加方式，5（b）为粉体受压后的应力应变曲线及形变百分比数据，从结果上看多孔碳（Sample A）粉体的最大压缩形变、可逆形变及不可逆形变均大于CVD硅碳（Sample B），这一结果与单颗粒测试曲线数据及卸压反弹数据均一致。进一步印证了所选取的两款材料的力学差异。

图5.(a) 粉体应力应变性能评估压力的施加方式；(b) 粉体应力应变曲线

3、总结

本文结合元能科技的SPFT系列单颗粒力学性能测试系统与PRCD系列粉末电阻率&压实密度评估系统，分别对多孔碳及CVD硅碳材料进行了不同层级、不同维度的力学性能测试，系统探究了两款材料之间的力学性能差异及层级关联性。本方案可作为锂离子电池材料机械力学性能筛选的有效依据，降低低质量产品流入后层级，造成时间和成本上的浪费。

4、参考文献

[1] 吴明铂,郑经堂,邱介山.多孔炭物理化学结构及其表征[J].化学通报, 2011.

[2] 材料科学与工程.化学气相沉积制备硅碳负极材料及其储锂性能研究[D].

[3] Mu X , Xu X , Xu H ,et al.Optimizing the pore structure in silicon–carbon anodes: the impact of micropore and mesopore ratios on electrochemical performance[J]. Journal of Materials Chemistry，A：Materials for Energy and Sustainability, 2025.