硅碳負極材料產業化面臨的挑戰

鋰離子電池負極材料主要分為碳材料和非碳材料兩大類，碳材料包括石墨類、無定形碳、納米碳等，非碳材料包括硅基負極、鈦酸鋰負極以及其他非碳負極。其中具有高能量密度的硅基負極材料被認為是新一代鋰離子電池最具潛力負極材料之一。

硅基負極目前兩大技術路徑是硅碳復合材料和硅氧復合材料。

其中硅碳負極主要是通過減小硅的尺寸至納米級別進而減小材料膨脹影響，而硅氧負極中的Si團簇、SiO2團簇及其氧化界面，可以在合金化反應過程中起到緩沖體積膨脹的作用。硅碳的能量密度高但循環次數較少，主要應用于3C數碼領域。硅氧能量密度相對較低，循環次數較多，因此動力電池領域主要應用硅氧負極。

硅碳負極材料的制備方法有化學氣相沉積（CVD）法、機械球磨法、噴霧法、鎂熱還原法、溶膠-凝膠法以及熱解法等。在眾多硅碳負極材料制備方法中，因CVD制備的硅碳負極材料具有充放電效率高、循環穩定性好、對設備要求較低、適合工業化生產等優勢，受到了廣泛關注。

CVD氣相沉積硅所需生產流程短，設備少，理論成本低。從目前的性能測試結果看，CVD法多孔硅碳克容量、首效、循環次數、倍率等多個維度性能表現優異；在生產方面，多孔硅碳硅基負極可減少預鋰、預鎂，相比于硅氧路線具有大幅降本的潛力。

而對于硅基負極材料的發展趨勢，SNE Research發布的《2024年鋰離子電池硅負極技術現狀與展望》報告顯示，隨著這一新型負極材料應用從3C消費向動力電池領域拓展，2024年硅負極的市場滲透率也將突破長期以來1%的封印，步入上升軌道，市場規模將以39%的復合年增長率，一路飆升至2035年的660億美元，整體市場滲透率也將達到10%左右。

近年來，硅基負極研發已明顯提速，在新能源汽車領域，除較早應用硅基負極的特斯拉以外，包括蔚來、智己和廣汽埃安在電池技術上均涉及硅負極。在寧德時代、國軒高科、星恒電源、比克、億緯鋰能等電池廠商高比容量電池方案中，硅碳負極被明確列為發展方向。

但是，在知識產權布局上，根據中國科學院寧波材料技術與工程研究所評估，我國于硅合金、硅氧化物、電解液、粘結劑和集流體等領域又面臨著較高專利侵權風險，這意味著硅負極材料產量高了鐵鋰電芯企業用不起，進入海外市場還可能招惹專利侵權官司，更何況當下的慘烈行情中，負極材料企業普遍利潤收窄，影響研發投入和優質產能建設，企業自身很難激發起堅決押注硅負極的決心。

2024年10月29-31日在上海跨國采購會展中心，由北京粉體技術協會與柏德英思展覽(上海)有限公司聯合主辦2024硅基負極材料技術與產業研討會暨第三屆先進負極材料技術與產業高峰論壇。屆時來自天津師范大學的研究員張波將作題為《硅碳負極材料產業化面臨的挑戰》的報告。報告將系統介紹硅碳負極的研究進展和產業化開發現狀，并對硅碳負極材料的兩條工藝路線的發展進行比較詳細的闡述，最后對硅碳負極的不同工藝路線的優缺點進行比較，對硅碳負極材料的未來發展進行展望。   

專家簡介：

張波，博士，研究員。2010年博士畢業于南開大學新能源材料化學研究所，一直進行相關鋰電負極材料的研究工作。曾經在天津渤?；ぜ瘓F從事導電炭黑研發、在中海油主持完成了鋰離子電池負極材料的產業化項目，項目金額近千萬元。國外學術期刊發表SCI收錄論文多篇，被引用近千余次。2014年以人才引進方式進入天津師范大學能源材料工程中心，就人造石墨負極材料、煤基負極、天然石墨負極材料與企業開展多項橫向課題合作研究，橫向經費超過300萬，同時獲得硅碳負極材料專利授權9項，成功實現專利成果轉化900萬元，并獲得海外投資2億元，聯合創建江蘇貝嘉寧硅業有限公司，進行項目的產業化開發。在Energy Environ. Sci., Electrochimica Acta, J Alloys and Compounds等學術期刊上發表論文多篇，被引次數達到千余次。2016 年獲得天津市自然科學二等獎，2019年2021年獲評天津市工程專業學位優秀指導教師，2023年獲評天津師范大學師德先進個人。

參考來源：

付祥南等.化學氣相沉積法制備硅碳復合負極材料的研究進展

陳義等.鋰離子電池硅碳負極材料的制備及其研究進展

黃雨辰等. 鋰離子電池硅碳負極材料的制備及其結構設計研究進展

負極材料“換代”？——CVD氣相沉積硅碳技術.粉體網

硅基負極材料的行業概況及發展趨勢.粉體網

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