多孔碳材料内部存在大量孔洞,孔径尺寸在纳米级别,由孔径大小来看包括微孔、介孔、大孔三类。多孔碳材料在硅碳负极中作为骨架材料使用,基于多孔碳材料制造而成的硅碳负极可以广泛应用在锂离子电池(包括固态电池、半固态电池)、锂硫电池、超级电容器等制造中。预计2030年,全球多孔碳材料需求将达到4.9万吨左右。
根据新思界产业研究中心发布的
《2025年中国多孔碳材料市场专项调研及企业“十五五规划”建议报告》显示,多孔碳材料孔隙多、孔洞结构复杂、比表面积大,能够结合更多锂离子,为锂离子提供有效扩散通道,可以提高锂离子电池容量;多孔碳材料物理化学性质稳定、电化学性能好,锂离子脱嵌过程中体积膨胀收缩小,可以提高锂离子电池循环稳定性;此外,多孔碳材料还具有密度小、导电性高、价格较低等特点。
电极材料性能的优劣直接影响锂离子电池的能量密度、循环寿命。硅基负极理论比容量远大于石墨负极,硅碳负极凭借高比容量、高导电率等特点,成为负极材料重要发展方向之一。但硅碳负极存在嵌锂过程体积膨胀、硅与电解液发生反应等问题,影响了电池循环寿命。
以多孔碳为骨架材料,采用化学气相沉积法,可以制备得到CVD法硅碳负极。CVD法硅碳负极的制备过程是,将硅烷通入多孔碳,热解后产生纳米硅颗粒,沉积在多孔碳孔隙中,形成硅碳材料,经碳包覆后可用来制造负极。CVD法硅碳负极能够解决硅碳负极存在的问题,市场发展潜力巨大。
多孔碳材料制备需要考虑前驱体选择以及制备工艺两大块。多孔碳材料可以选择的前驱体种类多样,主要有:生物质,例如椰壳等,来源广泛、成本低,但比表面积、孔洞结构相对较差;树脂,例如酚醛树脂,比表面积大、孔洞结构复杂,但成本较高、导电率略低;此外还有煤基材料(例如煤沥青)、石油基材料(例如石油沥青)、有机框架材料等。
多孔碳材料以前驱体为原料,通过物理/化学活化法、软/硬模版法、溶胶凝胶法等工艺进行制备。其中,化学活化法可以采用酚醛树脂为原料,制备得到孔洞结构可控、介孔占比高、比表面积大的多孔碳材料;软、硬模版法可以采用酚醛树脂为原料,硬模版法介孔占比高、孔径偏差小,但工艺复杂、成本高,软模版法介孔占比低于前者,但成本低。
新思界
行业分析人士表示,我国多孔碳材料布局企业数量不断增多,主要有福建元力活性炭股份有限公司、济南圣泉集团股份有限公司、湖南金博碳素股份有限公司、常州创明超电材料科技有限公司、江西紫宸科技有限公司等。元力股份聚焦多孔碳业务,已经实现批量生产与销售,正在推进实施“年产2000吨多孔碳建设项目”;圣泉集团开发出球形多孔碳技术,可制备抗膨胀、高容量的硅碳负极,已获得下游客户订单;金博股份表示研发出低成本改性树脂基多孔碳材料,已在下游客户评测。
关键字: