隨著動力電池向高續航、高能量密度方向迭代，硅碳負極已成為行業主流技術路線。鋰離子電池石墨負極理論容量僅 372 mAh/g，硅材料理論容量高達 3579 mAh/g，是石墨近10倍，兼具儲量豐富、嵌鋰電位低等優勢，是高能量密度負極核心材料。

但硅有致命短板：嵌脫鋰會出現劇烈體積膨脹制約電池循環壽命，硅在充分嵌鋰狀態下的體積膨脹可超過300%，長期循環易出現顆粒粉化、電極脫層、導電網絡斷裂，電池壽命快速衰減等問題。目前研發人員普遍采用內置孔隙的 Si-C 復合材料緩解膨脹問題，可又存在另一難題，分不清電芯膨脹到底是硅顆粒本身脹大，還是電解液、SEI 膜等多重因素造成。傳統表征手段（原位膨脹測試Dilatometry）只能表征電芯厚度變化，得到的是“混合疊加信號"，包含硅顆粒本征膨脹、SEI 膜生長、電解液產氣、顆?；浦嘏诺榷嘀刈兞浚邪l人員無法定位失效根源，研發效率極低。

全新解決方案：電荷光度法 + 傳統膨脹儀聯用跨尺度表征體系

近日，illumion 聯合瓦克化學（Wacker Chemie AG）推出一套完整硅負極膨脹機理研發表征方案，核心設備為基于電荷光度法的高分辨原位電池電荷成像系統-illumionONE，將微觀單顆粒原位觀測與宏觀電芯厚度測試兩種手段互補，打通從微米顆粒到完整電芯的全尺度觀測鏈路，解決傳統設備 “只能看整體、看不清微觀" 的缺陷。

圖 1 基于電荷光度法的高分辨原位電池電荷成像系統-illumionONE工作原理

1. 高分辨原位電池電荷成像系統

設備搭載光學可視扣式電池池，測試時向電極發射入射光；鋰離子嵌入 / 脫出硅顆粒會改變材料電子結構，顆粒反射、散射光強度同步變化，系統實時捕捉光學信號，同步記錄電化學曲線，直接可視化單顆粒充放電全過程的體積、形貌變化，同步匹配容量衰減等數據。

簡單來說：傳統膨脹儀只能看 “整片電極有多厚"，illumionONE 相當于給每一顆硅顆粒裝了高清攝像頭，實時直播單顆顆粒脹大、收縮全過程。

2. 與傳統單一膨脹測試核心優勢對比

核心實驗結論：

電芯首周不可逆膨脹與硅顆粒本身無關

電芯膨脹測試數據顯示：微米硅單層初次嵌鋰最大增厚 9.5 μm，整體厚度提升 35%，脫鋰后仍殘留 23% 不可逆形變；Si-C 復合電極單層峰值增厚 5.5 μm，不可逆厚度占總形變 33%。兩類電芯均存在明顯殘余厚度增量，僅依靠宏觀測試無法判斷誘因。

圖2 0.1 C次化成循環軟包電芯原位膨脹測試（單層電極厚度變化）：(a) 微米硅電極單層初始厚度 27.3 μm；(b) 硅碳復合電極單層初始厚度 30.3 μm；兩類電極充放電后均出現不可逆膨脹形變。

高分辨原位電池電荷成像系統-illumionONE單顆粒觀測結果給出明確答案：無論是致密微米硅，還是多孔 Si-C復合顆粒，在脫鋰后體積均可恢復至初始尺寸，硅顆粒自身的膨脹行為表現出良好的可逆性逆。

研究團隊證實：電芯不可逆膨脹全部來源于電極/芯層級副反應，主要為 SEI膜持續生長、電極內部顆?；浦亟M、電解液分解產氣三類過程，與硅材料本征膨脹無關聯。

圖3 兩種硅基負極材料高分辨原位電池電荷成像系統-illumionONE原位測試結果。

微米硅線性膨脹、Si-C復合材料非線性膨脹，孔隙緩沖效應顯著

兩種材料在顆粒、電芯雙尺度下呈現出不同的膨脹動力學規律：

• 微米硅：顆粒體積、電芯厚度隨嵌鋰深度同步線性增長，致密無孔結構無緩沖空間，顆粒形變直接傳遞至電極；

• Si-C復合材料：顆粒、電芯均呈現非線性膨脹曲線。嵌鋰前期碳基體內部孔隙容納硅體積變化，膨脹速率平緩；隨著內部孔隙逐漸被占據，外部膨脹速率急劇上升，放電階段反向變化。該特性為Si-C材料固有屬性，不受電極涂布工藝干擾。

  
  

圖4 0.5 C倍率下單顆粒體積變化與電壓同步曲線：紫色曲線為顆粒體積變化率 ΔVolume (%)，黑色曲線為電池電壓；微米硅呈線性膨脹，Si-C存在明顯增速拐點。

同時測試發現尺度膨脹幅度差異巨大：0.5 C工況下Si-C單顆粒整體膨脹 75%，單層電極僅增厚12%。電極孔隙大幅緩沖顆粒形變，僅依靠電芯厚度測試會嚴重低估硅真實膨脹水平，單顆粒表征是客觀評價硅材料性能的必要手段。

膨脹曲線拐點成為Si-C復合材料定量設計標尺

Si-C膨脹曲線的增速突變拐點具備較高工程落地價值：拐點對應碳基體內部孔隙可容納硅膨脹的極限負載量。研發人員可依托該拐點數值，定量調控復合材料孔隙率、孔徑分布、硅摻雜比例，精準設定無額外外部膨脹的硅負載上限，從材料設計源頭降低電芯循環膨脹失效風險。

行業價值與應用展望

單一表征手段存在明顯觀測盲區：電芯膨脹測試僅能反映電池宏觀整體變化，高分辨原位電池電荷成像系統-illumionONE可觀測單顆粒微觀行為，二者聯用可完整拆分膨脹現象的物理來源，有效區分材料固有特性與電極副反應干擾。

這套跨尺度雙表征方案落地后，可為鋰電行業帶來三大核心價值：

• 精準溯源電芯不可逆膨脹誘因，區分材料缺陷與電解液、電極工藝帶來的副反應；

• 量化Si-C材料內部孔隙緩沖極限，定向優化孔隙結構與硅添加比例；

• 實現不同倍率下硅膨脹動力學量化觀測，匹配長循環電池開發策略。

參考文獻：

[1]. Pujari, A., et al. (2026), Unveiling the anomalous expansion of silicon-carbon composites obtained by chemical vapor infiltration through operando charge photometry and dilatometry, J. Electrochem. Soc., 173: 090508