硅碳負極材料產(chǎn)業(yè)化面臨的挑戰(zhàn)

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(shù)路徑是硅碳復(fù)合材料和硅氧復(fù)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(yīng)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(huán)次數(shù)較少，主要應(yīng)用于3C數(shù)碼領(lǐng)域。硅氧能量密度相對較低，循環(huán)次數(shù)較多，因此動力電池領(lǐng)域主要應(yīng)用硅氧負極。

硅碳負極材料的制備方法有化學(xué)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(huán)穩(wěn)定性好、對設(shè)備要求較低、適合工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)勢，受到了廣泛關(guān)注。

CVD氣相沉積硅所需生產(chǎn)流程短，設(shè)備少，理論成本低。從目前的性能測試結(jié)果看，CVD法多孔硅碳克容量、首效、循環(huán)次數(shù)、倍率等多個維度性能表現(xiàn)優(yōu)異；在生產(chǎn)方面，多孔硅碳硅基負極可減少預(yù)鋰、預(yù)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(fā)展趨勢，SNE Research發(fā)布的《2024年鋰離子電池硅負極技術(shù)現(xiàn)狀與展望》報告顯示，隨著這一新型負極材料應(yīng)用從3C消費向動力電池領(lǐng)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(guī)模將以39%的復(fù)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(fā)已明顯提速，在新能源汽車領(lǐng)域，除較早應(yīng)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(shù)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(fā)展方向。

但是，在知識產(chǎn)權(quán)布局上，根據(jù)中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所評估，我國于硅合金、硅氧化物、電解液、粘結(jié)劑和集流體等領(lǐng)域又面臨著較高專利侵權(quán)風(fēng)險，這意味著硅負極材料產(chǎn)量高了鐵鋰電芯企業(yè)用不起，進入海外市場還可能招惹專利侵權(quán)官司，更何況當(dāng)下的慘烈行情中，負極材料企業(yè)普遍利潤收窄，影響研發(fā)投入和優(yōu)質(zhì)產(chǎn)能建設(shè)，企業(yè)自身很難激發(fā)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(shù)協(xié)會與柏德英思展覽(上海)有限公司聯(lián)合主辦2024硅基負極材料技術(shù)與產(chǎn)業(yè)研討會暨第三屆先進負極材料技術(shù)與產(chǎn)業(yè)高峰論壇。屆時來自天津師范大學(xué)的研究員張波將作題為《硅碳負極材料產(chǎn)業(yè)化面臨的挑戰(zhàn)》的報告。報告將系統(tǒng)介紹硅碳負極的研究進展和產(chǎn)業(yè)化開發(fā)現(xiàn)狀，并對硅碳負極材料的兩條工藝路線的發(fā)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(yōu)缺點進行比較，對硅碳負極材料的未來發(fā)展進行展望。   

專家簡介：

張波，博士，研究員。2010年博士畢業(yè)于南開大學(xué)新能源材料化學(xué)研究所，一直進行相關(guān)鋰電負極材料的研究工作。曾經(jīng)在天津渤海化工集團從事導(dǎo)電炭黑研發(fā)、在中海油主持完成了鋰離子電池負極材料的產(chǎn)業(yè)化項目，項目金額近千萬元。國外學(xué)術(shù)期刊發(fā)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(xué)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(yè)開展多項橫向課題合作研究，橫向經(jīng)費超過300萬，同時獲得硅碳負極材料專利授權(quán)9項，成功實現(xiàn)專利成果轉(zhuǎn)化900萬元，并獲得海外投資2億元，聯(lián)合創(chuàng)建江蘇貝嘉寧硅業(yè)有限公司，進行項目的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)。在Energy Environ. Sci., Electrochimica Acta, J Alloys and Compounds等學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文多篇，被引次數(shù)達到千余次。2016 年獲得天津市自然科學(xué)二等獎，2019年2021年獲評天津市工程專業(yè)學(xué)位優(yōu)秀指導(dǎo)教師，2023年獲評天津師范大學(xué)師德先進個人。

參考來源：

付祥南等.化學(xué)氣相沉積法制備硅碳復(fù)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(jié)構(gòu)設(shè)計研究進展

負極材料“換代”？——CVD氣相沉積硅碳技術(shù).粉體網(wǎng)

硅基負極材料的行業(yè)概況及發(fā)展趨勢.粉體網(wǎng)

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