中國粉體網(wǎng)訊 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(chǎn)業(yè)鏈的成熟度較高，原材料供應廣泛，學術(shù)研究基礎深厚穩(wěn)健，因此一直被視為下一代電池材料中最有望率先實現(xiàn)商業(yè)化的重要領(lǐng)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(qū)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(xiàn)量價齊升的局面，我國硅基負極材料行業(yè)市場規(guī)模進入爆發(fā)式增長。2019-2023年，行業(yè)市場規(guī)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(shù)、成本方面的進一步突破，硅基負極逐步走向產(chǎn)業(yè)化的發(fā)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(jù)相關(guān)機構(gòu)統(tǒng)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(fā)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(nèi)硅基負極材料行業(yè)企業(yè)大致可以分為四大類：一是現(xiàn)有石墨類負極企業(yè)，如貝特瑞、璞泰來等；二是科研院校背景的企業(yè)，如天目先導、壹金新能源等；三是電池類企業(yè)，如寧德時代、國軒高科等；四是化工企業(yè)跨界或硅材料企業(yè)切入，如石大勝華等。
硅基負極行業(yè)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(guī)模標準化產(chǎn)線；其中部分企業(yè)已對消費電子、航空航天領(lǐng)域客戶實現(xiàn)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(chǎn)業(yè)仍處于加速發(fā)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(lǐng)域。2023年以來多孔硅碳技術(shù)路線的出現(xiàn)讓硅碳負極材料的性能實現(xiàn)了群體性突破，有望開啟在動力電池領(lǐng)域的規(guī)�；瘧�。與此同時，包括麒麟電池、大圓柱電池、快充電池、固態(tài)電池等動力電池新技術(shù)持續(xù)迭代發(fā)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(shù)更適配硅基負極，隨著電池新技術(shù)在近年來陸續(xù)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(chǎn)業(yè)化制備
氣相沉積（CVD）技術(shù)是一種通過使用多孔碳結(jié)構(gòu)來存儲硅的方法。采用多孔結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)密實。利用多孔碳的內(nèi)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(huán)性能，可以更好的發(fā)揮硅碳負極高容量的性能優(yōu)勢。目前，CVD法硅碳負極產(chǎn)業(yè)化制備的關(guān)鍵環(huán)節(jié)包含以下幾點：
①多孔碳骨架的制備：合適的碳源配方?jīng)Q定了碳骨架納米孔隙分布的致密、均勻性及碳結(jié)構(gòu)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(diào)節(jié)多孔碳基體的孔徑尺寸和孔道結(jié)構(gòu)，以及對多孔碳基體進行摻雜調(diào)節(jié)多孔碳的體相結(jié)構(gòu)及化學狀態(tài)，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(chǎn)業(yè)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(nèi)，并從流化床底部通入硅烷氣，硅烷氣在流化床內(nèi)部保持一定的流速，使顆粒狀的碳骨架懸浮在床內(nèi)，反應完成后從流化床頂部排出。其產(chǎn)業(yè)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(nèi)部的流速、流量以及流態(tài)，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(guī)模且能連續(xù)化生產(chǎn)的設備仍然是制約該材料產(chǎn)業(yè)化的難點。
③硅烷特氣供需緊平衡狀態(tài)，降本空間大：硅烷特氣純度高且能實現(xiàn)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(yè)也提出了非常高的安全生產(chǎn)要求。
2024年10月29-31日在上�？鐕少彆怪行�，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。屆時來自中南大學的周向陽教授將作題為《硅基負極的未來發(fā)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(chǎn)業(yè)化與應用中的關(guān)鍵科學與技術(shù)問題，對現(xiàn)行硅負極產(chǎn)業(yè)化技術(shù)進行簡單介紹；報告將重點對CVD法硅碳負極的產(chǎn)業(yè)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(xù)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(tài)硅的優(yōu)勢。該報告對高性價比硅基負極的開發(fā)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(yè)協(xié)會專家委員會委員以及無機鹽學科學術(shù)帶頭人，《化學工程與技術(shù)》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(fā)表高水平論文100余篇，獲國家授權(quán)發(fā)明專利100余項，其中18項實現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化；獲省部級科技發(fā)明/科技進步一等獎2項，省部級技術(shù)進步/發(fā)明二等獎4項。
參考來源：
粉體網(wǎng)、千乘資本、普華資本、鑫欏資訊、東方富海
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/蘇簡）
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