测试多孔炭材料孔径分布选型指南
2025-09-15 来源:本站 点击次数:46
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，对多孔碳骨架的比表面积、孔径分布、孔容和孔隙率等特性有不同的要求，最终的产品在性能上也表现出显著差异。
一、多孔碳骨架材料的比表面积表征
比表面积是多孔碳的关键参数之一，通常要求在1000-2000 m²/g范围内。高比表面积能够提供更多的硅沉积位点，从而提高材料的整体克容量。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。为了确保测试的准确性，测试前需对多孔碳骨架材料进行充分的前处理。测试前，样品先在90℃真空条件下加热处理1小时，然后在300℃真空条件下加热6小时进行脱气处理，除去表面水分及其他杂质成分，获得洁净的表面，这也是确保微孔结构表征充分的前提条件。
图1 两种多孔碳骨架材料（左：1#，右：2#）的多点BET比表面积测试结果
图2 两种多孔碳骨架材料（左：1#，右：2#）的t-plot法微孔面积测试结果
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。
图3 多孔碳骨架材料3#的N2吸附-脱附等温线（左图）
和HK-微孔孔径分布图（右图）
图4 多孔碳骨架材料4#的N2吸附-脱附等温线（左图）和
HK-微孔孔径分布图（右图）
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
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，对多孔碳骨架的比表面积、孔径分布、孔容和孔隙率等特性有不同的要求，最终的产品在性能上也表现出显著差异。
一、多孔碳骨架材料的比表面积表征
比表面积是多孔碳的关键参数之一，通常要求在1000-2000 m²/g范围内。高比表面积能够提供更多的硅沉积位点，从而提高材料的整体克容量。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。为了确保测试的准确性，测试前需对多孔碳骨架材料进行充分的前处理。测试前，样品先在90℃真空条件下加热处理1小时，然后在300℃真空条件下加热6小时进行脱气处理，除去表面水分及其他杂质成分，获得洁净的表面，这也是确保微孔结构表征充分的前提条件。
图1 两种多孔碳骨架材料（左：1#，右：2#）的多点BET比表面积测试结果
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。
和HK-微孔孔径分布图（右图）
HK-微孔孔径分布图（右图）
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。
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
- 精准控气 效能提升
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