硅基負極的未來發展方向思考

硅基負極材料以其卓越的理論能量密度、相對較低的制備成本、出色的快速充放電性能以及卓越的安全性能而著稱。這一材料在上下游產業鏈的成熟度較高，原材料供應廣泛，學術研究基礎深厚穩健，因此一直被視為下一代電池材料中最有望率先實現商業化的重要領域。

硅基負極市場及前景

得益于動力電池、消費電池市場需求的驅動，以及緊平衡下硅基材料價格的上漲，硅基負極材料市場將呈現量價齊升的局面，我國硅基負極材料行業市場規模進入爆發式增長。2019-2023年，行業市場規模從3.71億元增長至76.38億元，復合增長率達到83.12%。

隨著硅基負極逐漸接替石墨作為電池負極的重要材料，以及硅基負極材料在技術、成本方面的進一步突破，硅基負極逐步走向產業化的發展趨勢。近年來，硅基負極增速不斷提升，有望成為重要的負極材料之一。根據相關機構統計，2019至2023年我國硅基負極出貨量分別為0.37/0.6/1.1/3.1/5.82萬噸。

隨著新能源汽車市場快速發展，基于對鋰電池的高能量密度、快充性能需求，鋰電池負極材料正在加速向硅基負極滲透。2019-2023年，硅基負極材料銷量從0.35萬噸增加到5.46萬噸。

目前，國內硅基負極材料行業企業大致可以分為四大類：一是現有石墨類負極企業，如貝特瑞、璞泰來等；二是科研院校背景的企業，如天目先導、壹金新能源等；三是電池類企業，如寧德時代、國軒高科等；四是化工企業跨界或硅材料企業切入，如石大勝華等。

硅基負極行業主要參與者如貝特瑞、杉杉股份、璞泰來、天目先導、勝華新材和國軒高科等已完成中試，正在建設大規模標準化產線；其中部分企業已對消費電子、航空航天領域客戶實現批量供貨。同時，翔豐華、硅寶科技、杰瑞股份、中科電氣、新安股份均已布局硅基負極材料，因此硅基負極材料產業仍處于加速發展中。

另外，近年來，多家主流車企逐漸推出搭載摻硅負極電池的車型，硅基負極應用逐漸拓展至動力電池領域。2023年以來多孔硅碳技術路線的出現讓硅碳負極材料的性能實現了群體性突破，有望開啟在動力電池領域的規?；瘧?。與此同時，包括麒麟電池、大圓柱電池、快充電池、固態電池等動力電池新技術持續迭代發展，尤其是“高鎳三元+硅基負極”為大圓柱電池最適配方案。電池新技術更適配硅基負極，隨著電池新技術在近年來陸續開啟應用放量，也正在加速打開硅基負極的市場空間。

CVD法硅碳負極的產業化制備

氣相沉積（CVD）技術是一種通過使用多孔碳結構來存儲硅的方法。采用多孔結構的碳顆粒，然后將硅烷氣體引入這些碳顆粒的孔隙中。在高溫條件下，硅烷氣體通過熱解反應在多孔碳的空隙中沉積形成硅納米顆粒。這種方法可以在分子級別上精確控制納米材料的制備，生成的硅碳復合材料分布均勻，結構密實。利用多孔碳的內部空間可以有效緩解材料的體積膨脹，從而具有較低的膨脹率和出色的循環性能，可以更好的發揮硅碳負極高容量的性能優勢。目前，CVD法硅碳負極產業化制備的關鍵環節包含以下幾點：

①多孔碳骨架的制備：合適的碳源配方決定了碳骨架納米孔隙分布的致密、均勻性及碳結構的強度、與電解液反應生成 SEI 膜的成膜特性，進而決定了CVD法硅碳材料的性能基礎；通過對原料及工藝過程的精準控制，調節多孔碳基體的孔徑尺寸和孔道結構，以及對多孔碳基體進行摻雜調節多孔碳的體相結構及化學狀態，獲得高強度、合適孔容和孔分布、高電子離子電導率的多孔碳基體。

②硅烷沉積是CVD法硅碳材料產業化工藝放大的難點：以 G14使用的流化床工藝為例，微米級碳骨架被放入流化床內，并從流化床底部通入硅烷氣，硅烷氣在流化床內部保持一定的流速，使顆粒狀的碳骨架懸浮在床內，反應完成后從流化床頂部排出。其產業化難點在于當流化床放大后，在更大的反應器中更難控制內部的流速、流量以及流態，導致硅烷氣無法與碳骨架充分接觸、反應，也難以避免碳骨架團聚和沉積速度過快，使得硅烷沉積的不均勻。因此，大規模且能連續化生產的設備仍然是制約該材料產業化的難點。

③硅烷特氣供需緊平衡狀態，降本空間大：硅烷特氣純度高且能實現精細控制，可以保證CVD沉積的均勻性和密度，從而提供材料的電化學性能。硅烷作為一種高度易燃易爆氣體，對企業也提出了非常高的安全生產要求。

2024年10月29-31日在上?？鐕少彆怪行模杀本┓垠w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。屆時來自中南大學的周向陽教授將作題為《硅基負極的未來發展方向思考》的報告。報告將從硅基負極前景簡述入手，剖析硅負極產業化與應用中的關鍵科學與技術問題，對現行硅負極產業化技術進行簡單介紹；報告將重點對CVD法硅碳負極的產業化制備要點進行闡述，從安全、成本、性能提升等多維度對CVD法是否會成為硅碳負極制備唯一方法進行分析；最后，報告將介紹一種基于低成本晶硅原料制備的具有缺陷（堆積層錯、納米孿晶和莫爾晶）持續釘扎強化納米晶粒的高機械性能純硅負極，并從機理上肯定了強化晶態硅的優勢。該報告對高性價比硅基負極的開發有較大的指導意義。

專家簡介：

周向陽，中南大學二級教授，博士生導師，美國ISE、TMS與ACS會員，中國無機鹽工業協會專家委員會委員以及無機鹽學科學術帶頭人，《化學工程與技術》等雜志編委。近年來一直圍繞鋰/鈉離子電池材料低成本制備、廢舊電池回收以及碳酸鋰提取等方面開展研究。發表高水平論文100余篇，獲國家授權發明專利100余項，其中18項實現成果轉化；獲省部級科技發明/科技進步一等獎2項，省部級技術進步/發明二等獎4項。

參考來源：

粉體網、千乘資本、普華資本、鑫欏資訊、東方富海

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