从济州石墙获得灵感……电池储电量提升至2.5倍

by Kim Yongu

Published 19 Oct.2026 10:00(KST)

UNIST、KIST、高丽大学联合研究团队取得成果

开发缓解硅膨胀问题的复合材料

充放电200次后仍保持85%的容量

济州石墙将大小不一的石块相互嵌合堆叠，既留有通风的缝隙，又不易倒塌。如果电池中的硅也采用这种方式排列，会怎么样？

韩国研究人员将不同尺寸的材料组合起来，开发出一种负极材料。该材料在储存大量电能的同时，还能缓解反复充放电时产生的体积膨胀问题，储电容量约为现有石墨负极的2.5倍。

蔚山科学技术院（UNIST）能源化学工程系教授Kang Seokju、韩国科学技术研究院研究员Ahn Seokhun以及高丽大学教授Kwak Sanggyu组成的联合研究团队，开发出一种将石墨、有机材料和硅颗粒按尺寸排列的复合负极，并于19日对外公布了这一成果。

在锂离子电池中，负极在充电时接收锂离子，起到储存电能的作用。目前广泛应用于商用电池的石墨虽然稳定，但储电量有限。

硅的储电量远高于同等重量的石墨，但在充电膨胀、放电收缩的过程中，电极容易产生裂纹。也就是说，为了提高容量而增加硅的用量，可能会缩短电池寿命。

还有一项电池负极研究，通过组合不同尺寸的颗粒提高耐久性，设计思路类似济州岛石墙。

研究团队不仅关注材料种类，也着眼于颗粒尺寸和排列方式。他们用最大的石墨颗粒搭建导电骨架，再以中等尺寸的有机材料cHBC填充空隙、支撑结构，并在其间加入较小的硅颗粒来储存电能。这种结构为硅膨胀预留了空间，从而减轻电极承受的压力。

正如石墙通过交错堆叠大小不一的石块来增强稳定性，这种设计让不同尺寸的颗粒填补空隙，同时容纳硅的体积变化。

实验也显示出性能差异。在电流密度为0.1 A/g的条件下，新开发的负极储电容量约为每克890 mAh；相同条件下，石墨负极约为350 mAh。以同等重量的负极活性材料为基准，硅复合负极的储电量约为石墨负极的2.5倍。

反复充放电时也能确认到改善效果。与高容量NCM811正极搭配的电池，在约30分钟完成一次充放电的2C条件下，经过200次充放电后，仍能保持初始容量的约85%。硅含量相同但未添加有机材料的对照组，容量保持率则仅约为55%。

在更接近实际电池形态的软包电池中，以1C条件进行185次充放电后，容量保持率也达到85%以上。这一结果表明，通过合理排列材料，既能发挥硅的高储电容量，也能提升耐久性。

计算机模拟也显示，硅颗粒的团聚尺寸和分布会影响性能。研究团队指出，与其一味增加硅的用量，不如将其以适当尺寸均匀分布，这样既能充分储存锂离子，也能减轻体积膨胀带来的压力。

还有一项利用三种不同尺寸的材料调控硅分布的复合负极研究。

Kang Seokju教授表示：“这项研究表明，决定电池性能的不仅是高容量材料的添加量，也包括其排列方式。”他还表示：“这项研究有助于提升电动汽车和储能系统电池的性能，并从长远来看降低更换成本。”

该研究得到韩国研究财团、蔚山科学技术院、科学技术信息通信部InnoCORE项目以及科学技术事业化振兴院的支持。

研究成果于9月2日在线发表于材料领域国际学术期刊《先进功能材料》，并获选为封底论文，将正式出版。

UNIST教授Kang Seokju（左）与研究员Joo Jeongmi。

本报道由人工智能(AI)翻译技术生成。