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元能科技（厦门）有限公司
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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?gt;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?024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、/span>
?. 硅基负极&多孔碳团体标凅/span>
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、/span>
1、测试部刅/strong>
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?em class="wx_search_keyword" style="-webkit-tap-highlight-color: rgba(0, 0, 0, 0); margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; display: inline-block; vertical-align: super; font-size: 10px; width: 1.2em; height: 1.2em; mask-position: 50% 50%; mask-repeat: no-repeat; mask-size: 100%; background-color: var(--weui-LINK); mask-image: url("data:image/svg+xml,%3csvg width='12' height='12' viewBox='0 0 12 12' fill='none' xmlns=';%3e%3cpath fill-rule='evenodd' clip-rule='evenodd' d='M7.60772 8.29444C7.02144 8.73734 6.29139 9 5.5 9C3.567 9 2 7.433 2 5.5C2 3.567 3.567 2 5.5 2C7.433 2 9 3.567 9 5.5C9 6.28241 8.74327 7.00486 8.30946 7.5877C8.3183 7.59444 8.3268 7.60186 8.33488 7.60994L10.4331 9.70816L9.726 10.4153L7.62777 8.31704C7.62055 8.30983 7.61387 8.30228 7.60772 8.29444ZM8 5.5C8 6.88071 6.88071 8 5.5 8C4.11929 8 3 6.88071 3 5.5C3 4.11929 4.11929 3 5.5 3C6.88071 3 8 4.11929 8 5.5Z' fill='%23576B95'/%3e%3c/svg%3e");">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、/span>
1.2、实验仪?/span>
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）、/span>
1.2.2、粉体卸压反?amp;应力应变评估：元能科技PRCD系列粉末电阻?amp;压实密度仪（?b（/span>
?.(a) 单颗粒力学性能测试系统（SPFT2000（/span>
(b) 粉末电阻?amp;压实密度仪（PRCD3100（/span>
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?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?0.7112mN时发生了颗粒破碎，而CVD硅碳?8.7432mN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、/span>
?.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皃/span>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、/span>
?.(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?-369MPa条件下的应力应变测试，如?（a）为应力应变评估力的施加方式?（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、/span>
?.(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?amp;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、/span>
4、参考文?/strong>
[1] 吴明?郑经?邱介?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?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.
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