中國粉體網(wǎng)訊  硅碳負(fù)極材料的制備方法有化學(xué)氣相沉積（CVD）法、機(jī)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(fù)極材料制備方法中，因CVD制備的硅碳負(fù)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。

常見硅碳負(fù)極材料制備方法比較

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(gè)維度性能表現(xiàn)優(yōu)異；在生產(chǎn)方面，多孔硅碳硅基負(fù)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。因此，無論是從目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的性能、成本和產(chǎn)品穩(wěn)定性來看，還是從技術(shù)路線的未來潛力來評判，氣相沉積硅碳都被認(rèn)為是最具優(yōu)勢的方向。

Group 14——CVD氣相沉積硅碳

2022年底以來，美國氣相沉積硅公司Group 14產(chǎn)品在國內(nèi)幾家頭部電芯廠新測的數(shù)據(jù)“驚為天人”，其全電的內(nèi)阻、循環(huán)、首效、克容量、膨脹率較硅氧和研磨硅相對來說取得了大范圍的提升，獲得了保時(shí)捷、ATL、光石、BASF、SK全球、微軟、美國碳中和基金的投資，成為新一代的“硅基之王”。

Group 14采用的是一種新型的氣相沉積硅碳技術(shù)，核心是通過多孔碳骨架來儲硅，先用高分子材料制造出類似海綿一樣具有多孔結(jié)構(gòu)的碳顆粒，然后向多孔碳顆粒的孔隙里通入硅烷氣體，通過高溫?zé)峤馐箽怏w沉淀成硅納米顆粒分散在多孔碳的孔隙里，該方法能對制備的納米材料實(shí)現(xiàn)分子尺度的控制，產(chǎn)品形貌較好，同時(shí)沉積產(chǎn)生的硅碳材料組分均勻，結(jié)構(gòu)較為致密，通過多孔碳內(nèi)部的空隙來緩沖體積膨脹，因此膨脹率低，循環(huán)優(yōu)異。其中的碳骨架不僅制作成本低，本身也具備不錯(cuò)的儲鋰能力，加之碳骨架本身密度小質(zhì)量輕，使得材料能量密度高。

CVD法制備硅碳負(fù)極的技術(shù)壁壘

目前，國內(nèi)外氣相沉積硅碳的技術(shù)壁壘和產(chǎn)業(yè)化難點(diǎn)主要在于多孔碳的選型、沉積設(shè)備和沉積工藝三個(gè)領(lǐng)域。即便是在氣相沉積硅碳領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，如Group 14公司，仍未能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的百噸級量產(chǎn)。

碳材料的選擇涵蓋了碳骨架的合成策略、應(yīng)用場景的界定以及評估方法的規(guī)劃。碳骨架的品質(zhì)直接影響了未來產(chǎn)品的規(guī)模化制造潛力。在電池領(lǐng)域，不同種類的多孔碳需要與適宜的石墨種類相匹配，以確保在電池正極端表現(xiàn)出卓越性能。在不同應(yīng)用場景下，對碳骨架的孔徑、孔容和孔隙率等特性有不同的要求，因此性能表現(xiàn)存在顯著差異，這要求專業(yè)的電池設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的緊密協(xié)作以完成開發(fā)工作。制定科學(xué)合理的測試方案在碳材料研發(fā)中至關(guān)重要，因?yàn)檫@決定了多孔碳材料性能的高效準(zhǔn)確評估，以及在硅碳復(fù)合材料和全電池中的實(shí)際表現(xiàn)，這也會直接影響公司研發(fā)工作的準(zhǔn)確性和效率。

在沉積工藝方面，不斷的試錯(cuò)是推動行業(yè)不斷進(jìn)步的動力之一。小規(guī)模試驗(yàn)性沉積工藝的壁壘相對較低，但在邁向大規(guī)模生產(chǎn)階段，工藝的一致性要求異常高。涉及到百公斤級別的混合料、爐腔內(nèi)的溫度分布控制、腔體內(nèi)氣壓分布等，這些都需要經(jīng)過大量的仿真與實(shí)驗(yàn)來優(yōu)化。目前，光伏級別的硅烷已經(jīng)達(dá)到了滿足硅碳材料要求的純度水平，未來低成本硅烷的生產(chǎn)將成為團(tuán)隊(duì)核心能力的重要組成部分之一。

針對沉積硅碳材料的設(shè)備，目前主要分為回轉(zhuǎn)窯和沸騰床兩類，各自具有優(yōu)缺點(diǎn)�；剞D(zhuǎn)窯工藝相對簡單且重復(fù)性高，因此海外制造商普遍采用該設(shè)備。然而，該工藝的沉積效率一般，硅烷有一定浪費(fèi)，而且批次生產(chǎn)量較低，顆粒的覆蓋性也稍顯不足。與之相對，沸騰床作為一種設(shè)備在醫(yī)藥和化工等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但需要滿足高度密閉和高氣壓條件，以實(shí)現(xiàn)小顆粒的包覆。至今尚未有企業(yè)能夠做出實(shí)現(xiàn)百公斤級別連續(xù)化生產(chǎn)的沸騰床設(shè)備。而在以上兩種設(shè)備之間的選擇尚未達(dá)成共識。

硅負(fù)極市場將突破，國內(nèi)企業(yè)何去何從

SNE Research發(fā)布的《2024年鋰離子電池硅負(fù)極技術(shù)現(xiàn)狀與展望》報(bào)告顯示，隨著這一新型負(fù)極材料應(yīng)用從3C消費(fèi)向動力電池領(lǐng)域拓展，預(yù)計(jì)2024年硅負(fù)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(dá)到10%左右。

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)劑和集流體領(lǐng)域又面臨著較高專利侵權(quán)風(fēng)險(xiǎn)，這意味著硅負(fù)極材料產(chǎn)量高了鐵鋰電芯企業(yè)用不起，進(jìn)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(fù)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(jiān)決押注硅負(fù)極的決心。

展望未來，鋰電創(chuàng)新仍然繞不開硅負(fù)極、鋰金屬負(fù)極等關(guān)鍵技術(shù)，負(fù)極材料換代是難以繞開的關(guān)口，為了避免被難以事先預(yù)計(jì)的“顛覆式創(chuàng)新”傷害，我們除了奮起直追別無選擇，與其等到海外供應(yīng)鏈成型、股東其新的商業(yè)風(fēng)潮后再疲于追趕，當(dāng)下的果斷布局無疑更具性價(jià)比。

參考來源：

付祥南等.化學(xué)氣相沉積法制備硅碳復(fù)合負(fù)極材料的研究進(jìn)展

陳義等.鋰離子電池硅碳負(fù)極材料的制備及其研究進(jìn)展

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（中國粉體網(wǎng)編輯整理/蘇簡）

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