新型负极材料－究竟什么是硅碳负极？

什么是硅碳负极？

石墨与硅嵌锂示意图

硅碳负极材料是指将硅材料与不同结构的碳材料掺杂，以此提高负极材料的容量和电化学性能的材料。

硅是目前已知能用于负极材料理论比容最高的材料，可以达到目前主流的石墨负极的10倍以上，安全性高、资源储量丰富、制作成本低。而碳材料具有较高电导率，结构相对稳固，在循环过程中体积膨胀很小，通常在10% 以下，且还具有良好的柔韧性和润滑性。硅碳负极材料综合了二者优势，是未来负极材料的发展重点。

一、硅碳负极-发展历程

1990年日本成功研制了以石油焦为负极的锂离子电池后，1996年纳米结构的硅颗粒与碳相结合并陆续应用于负极材料。

2017年特斯拉使用碳包覆氧化亚硅的技术方案，用于model3，能量密度达300wh/kg。

截至2020年，硅基负极已经有了爆炸式的发展，逐渐添加于工业产生的电极之中。小尺度硅纳米颗粒、二维、三维的硅结构均有了详细的研究并建立了成熟体系。

硅碳负极的分类

二、硅碳负极-产业发展

硅碳负极高倍率、高能量型新材料，且是产业化新型负极材料。

全球硅碳负极材料主要供应商

中高端厂商对硅碳产品重点布局

从产业链进程层面：硅碳负极产品经过近两年的发展，产业链成熟度显著提升。

三、硅碳负极-场景应用

（1） 高能量密度锂电池：硅碳负极材料因其高能量密度特性，被广泛应用于需要长续航时间的电子设备，如高端智能手机、笔记本电脑和便携式电源。

（2）电动车插电式混合动力电池：在电动汽车和插电式混合动力汽车中，硅碳负极材料可以帮助提高电池的能量密度，从而增加车辆的续航里程，是新能源汽车电池技术的重要发展方向。

（3） 储能系统：对于电网调节和可再生能源存储等储能应用，硅碳负极材料能够提供更高的能量存储效率，帮助提高系统的经济效益。

（4）航空航天和军事领域：在航空航天和军事领域，对电池的能量密度和稳定性有极高的要求，硅碳负极材料可以满足这些特殊应用的需求。

四、硅碳负极-技术路线

硅碳负极的制备工艺以嵌入法为主流。按硅和碳的复合方式划分，硅碳负极主要分为三种，即包覆型、嵌入型、复合型。由于嵌入型硅碳材料生产工艺和石墨负极工艺较为类似，是最先实现商业化的硅碳负极，但是嵌入型硅碳负极也存在一定缺点，例如硅含量相对较低，能量密度提升幅度较石墨负极不甚明显。

硅碳负极生产工艺核心难点在于纳米硅粉制备。目前硅碳负极生产工艺中，碳材料复合和烧结等步骤技术已较为成熟。考虑到纳米硅具有较高的表面能，极易团聚形成微米级颗粒，导致硅碳负极循环稳定性及首次效率下滑，硅碳负极生产的核心难点在于纳米硅粉的制备。目前纳米硅粉的制备方法主要有三种，机械研磨法，化学气相沉积（CVD）法和等离子蒸发冷凝法（PVD）。

硅碳负极制备下一代硅烷脱氢技术（CVD）技术有待提升。该技术以SiH4为硅源，通过 CVD 方法在石墨表面和内部空隙沉积无定型硅，再以 C2H2 为碳源，用 CVD 方法在颗粒表面包覆碳层，制备出碳包覆硅纳米层嵌入石墨的复合材料。

气相沉积硅碳主要结构

当前阶段硅基负极产品中，以硅氧为主（二代硅氧，大部分出货至海外），本质原因是贝特瑞、杉杉为代表的氧化亚硅产品成熟度较高。硅氧负极需要提升的点在于首效和能量密度。

从中长期提升能量密度的角度出发，材料厂商倾向于发展硅碳负极，尤其是气相沉积法下的硅碳路线。本质上是打开能量密度上限、 控制膨胀率、提升循环寿命。现有硅碳负极是用传统研磨法生产。研磨法下硅颗粒尺寸较大（通常在100nm以上），膨胀问题难以 解决。CVD法通过将硅纳米颗粒沉积在碳基体表面形成复合材料，基于其产品组分均匀、结构致密，CVD法生成的复合材料膨胀率 更低，对应循环性能得到显著提升，可以更好的发挥硅碳负极高容量的性能优势，待产品成熟，规模化降本后有望大批量应用。

从材料厂的选择验证，头部材料企业倾向于采用CVD法硅碳负极。