硅基负极的未来发展方向思考

中国粉体网讯  硅基负极材料以其卓越的理论能量密度、相对较低的制备成本、出色的快速充放电性能以及卓越的安全性能而著称。这一材料在上下游产业链的成熟度较高，原材料供应广泛，学术研究基础深厚稳健，因此一直被视为下一代电池材料中最有望率先实现商业化的重要领域。

硅基负极市场及前景

得益于动力电池、消费电池市场需求的驱动，以及紧平衡下硅基材料价格的上涨，硅基负极材料市场将呈现量价齐升的局面，我国硅基负极材料行业市场规模进入爆发式增长。2019-2023年，行业市场规模从3.71亿元增长至76.38亿元，复合增长率达到83.12%。

随着硅基负极逐渐接替石墨作为电池负极的重要材料，以及硅基负极材料在技术、成本方面的进一步突破，硅基负极逐步走向产业化的发展趋势。近年来，硅基负极增速不断提升，有望成为重要的负极材料之一。根据相关机构统计，2019至2023年我国硅基负极出货量分别为0.37/0.6/1.1/3.1/5.82万吨。

随着新能源汽车市场快速发展，基于对锂电池的高能量密度、快充性能需求，锂电池负极材料正在加速向硅基负极渗透。2019-2023年，硅基负极材料销量从0.35万吨增加到5.46万吨。

目前，国内硅基负极材料行业企业大致可以分为四大类：一是现有石墨类负极企业，如贝特瑞、璞泰来等；二是科研院校背景的企业，如天目先导、壹金新能源等；三是电池类企业，如宁德时代、国轩高科等；四是化工企业跨界或硅材料企业切入，如石大胜华等。

硅基负极行业主要参与者如贝特瑞、杉杉股份、璞泰来、天目先导、胜华新材和国轩高科等已完成中试，正在建设大规模标准化产线；其中部分企业已对消费电子、航空航天领域客户实现批量供货。同时，翔丰华、硅宝科技、杰瑞股份、中科电气、新安股份均已布局硅基负极材料，因此硅基负极材料产业仍处于加速发展中。

另外，近年来，多家主流车企逐渐推出搭载掺硅负极电池的车型，硅基负极应用逐渐拓展至动力电池领域。2023年以来多孔硅碳技术路线的出现让硅碳负极材料的性能实现了群体性突破，有望开启在动力电池领域的规模化应用。与此同时，包括麒麟电池、大圆柱电池、快充电池、固态电池等动力电池新技术持续迭代发展，尤其是“高镍三元+硅基负极”为大圆柱电池最适配方案。电池新技术更适配硅基负极，随着电池新技术在近年来陆续开启应用放量，也正在加速打开硅基负极的市场空间。

CVD法硅碳负极的产业化制备

气相沉积（CVD）技术是一种通过使用多孔碳结构来存储硅的方法。采用多孔结构的碳颗粒，然后将硅烷气体引入这些碳颗粒的孔隙中。在高温条件下，硅烷气体通过热解反应在多孔碳的空隙中沉积形成硅纳米颗粒。这种方法可以在分子级别上精确控制纳米材料的制备，生成的硅碳复合材料分布均匀，结构密实。利用多孔碳的内部空间可以有效缓解材料的体积膨胀，从而具有较低的膨胀率和出色的循环性能，可以更好的发挥硅碳负极高容量的性能优势。目前，CVD法硅碳负极产业化制备的关键环节包含以下几点：

①多孔碳骨架的制备：合适的碳源配方决定了碳骨架纳米孔隙分布的致密、均匀性及碳结构的强度、与电解液反应生成 SEI 膜的成膜特性，进而决定了CVD法硅碳材料的性能基础；通过对原料及工艺过程的精准控制，调节多孔碳基体的孔径尺寸和孔道结构，以及对多孔碳基体进行掺杂调节多孔碳的体相结构及化学状态，获得高强度、合适孔容和孔分布、高电子离子电导率的多孔碳基体。

②硅烷沉积是CVD法硅碳材料产业化工艺放大的难点：以 G14使用的流化床工艺为例，微米级碳骨架被放入流化床内，并从流化床底部通入硅烷气，硅烷气在流化床内部保持一定的流速，使颗粒状的碳骨架悬浮在床内，反应完成后从流化床顶部排出。其产业化难点在于当流化床放大后，在更大的反应器中更难控制内部的流速、流量以及流态，导致硅烷气无法与碳骨架充分接触、反应，也难以避免碳骨架团聚和沉积速度过快，使得硅烷沉积的不均匀。因此，大规模且能连续化生产的设备仍然是制约该材料产业化的难点。

③硅烷特气供需紧平衡状态，降本空间大：硅烷特气纯度高且能实现精细控制，可以保证CVD沉积的均匀性和密度，从而提供材料的电化学性能。硅烷作为一种高度易燃易爆气体，对企业也提出了非常高的安全生产要求。

2024年10月29-31日在上海跨国采购会展中心，由北京粉体技术协会与柏德英思展览(上海)有限公司联合主办2024硅基负极材料技术与产业研讨会暨第三届先进负极材料技术与产业高峰论坛。届时来自中南大学的周向阳教授将作题为《硅基负极的未来发展方向思考》的报告。报告将从硅基负极前景简述入手，剖析硅负极产业化与应用中的关键科学与技术问题，对现行硅负极产业化技术进行简单介绍；报告将重点对CVD法硅碳负极的产业化制备要点进行阐述，从安全、成本、性能提升等多维度对CVD法是否会成为硅碳负极制备唯一方法进行分析；最后，报告将介绍一种基于低成本晶硅原料制备的具有缺陷（堆积层错、纳米孪晶和莫尔晶）持续钉扎强化纳米晶粒的高机械性能纯硅负极，并从机理上肯定了强化晶态硅的优势。该报告对高性价比硅基负极的开发有较大的指导意义。

专家简介：

周向阳，中南大学二级教授，博士生导师，美国ISE、TMS与ACS会员，中国无机盐工业协会专家委员会委员以及无机盐学科学术带头人，《化学工程与技术》等杂志编委。近年来一直围绕锂/钠离子电池材料低成本制备、废旧电池回收以及碳酸锂提取等方面开展研究。发表高水平论文100余篇，获国家授权发明专利100余项，其中18项实现成果转化；获省部级科技发明/科技进步一等奖2项，省部级技术进步/发明二等奖4项。

参考来源：

粉体网、千乘资本、普华资本、鑫椤资讯、东方富海

（中国粉体网编辑整理/苏简）

注：图片非商业用途，存在侵权告知删除！