中國粉體網訊 硅碳負極材料的制備方法有化學氣相沉積（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、循環穩定性好、對設備要求較低、適合工業化生產等優勢，受到了廣泛關注。
常見硅碳負極材料制備方法比較
CVD氣相沉積硅所需生產流程短，設備少，理論成本低。從目前的性能測試結果看，CVD法多孔硅碳克容量、首效、循環次數、倍率等多個維度性能表現優異；在生產方面，多孔硅碳硅基負極可減少預鋰、預鎂，相比于硅氧路線具有大幅降本的潛力。因此，無論是從目前已經實現的性能、成本和產品穩定性來看，還是從技術路線的未來潛力來評判，氣相沉積硅碳都被認為是最具優勢的方向。
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產品在國內幾家頭部電芯廠新測的數據“驚為天人”，其全電的內阻、循環、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，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構的碳顆粒，然后向多孔碳顆粒的孔隙里通入硅烷氣體，通過高溫熱解使氣體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現分子尺度的控制，產品形貌較好，同時沉積產生的硅碳材料組分均勻，結構較為致密，通過多孔碳內部的空隙來緩沖體積膨脹，因此膨脹率低，循環優異。其中的碳骨架不僅制作成本低，本身也具備不錯的儲鋰能力，加之碳骨架本身密度小質量輕，使得材料能量密度高。
CVD法制備硅碳負極的技術壁壘
目前，國內外氣相沉積硅碳的技術壁壘和產業化難點主要在于多孔碳的選型、沉積設備和沉積工藝三個領域。即便是在氣相沉積硅碳領域的領導者，如Group 14公司，仍未能實現大規模的百噸級量產。
碳材料的選擇涵蓋了碳骨架的合成策略、應用場景的界定以及評估方法的規劃。碳骨架的品質直接影響了未來產品的規模化制造潛力。在電池領域，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出卓越性能。在不同應用場景下，對碳骨架的孔徑、孔容和孔隙率等特性有不同的要求，因此性能表現存在顯著差異，這要求專業的電池設計團隊的緊密協作以完成開發工作。制定科學合理的測試方案在碳材料研發中至關重要，因為這決定了多孔碳材料性能的高效準確評估，以及在硅碳復合材料和全電池中的實際表現，這也會直接影響公司研發工作的準確性和效率。
在沉積工藝方面，不斷的試錯是推動行業不斷進步的動力之一。小規模試驗性沉積工藝的壁壘相對較低，但在邁向大規模生產階段，工藝的一致性要求異常高。涉及到百公斤級別的混合料、爐腔內的溫度分布控制、腔體內氣壓分布等，這些都需要經過大量的仿真與實驗來優化。目前，光伏級別的硅烷已經達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將成為團隊核心能力的重要組成部分之一。
針對沉積硅碳材料的設備，目前主要分為回轉窯和沸騰床兩類，各自具有優缺點。回轉窯工藝相對簡單且重復性高，因此海外制造商普遍采用該設備。然而，該工藝的沉積效率一般，硅烷有一定浪費，而且批次生產量較低，顆粒的覆蓋性也稍顯不足。與之相對，沸騰床作為一種設備在醫藥和化工等領域廣泛應用，但需要滿足高度密閉和高氣壓條件，以實現小顆粒的包覆。至今尚未有企業能夠做出實現百公斤級別連續化生產的沸騰床設備。而在以上兩種設備之間的選擇尚未達成共識。
硅負極市場將突破，國內企業何去何從
SNE Research發布的《2024年鋰離子電池硅負極技術現狀與展望》報告顯示，隨著這一新型負極材料應用從3C消費向動力電池領域拓展，預計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，市場規模將以39%的復合年增長率，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。
在知識產權布局上，根據中國科學院寧波材料技術與工程研究所評估，我國于硅合金、硅氧化物、電解液、粘結劑和集流體領域又面臨著較高專利侵權風險，這意味著硅負極材料產量高了鐵鋰電芯企業用不起，進入海外市場還可能招惹專利侵權官司，更何況當下的慘烈行情中，負極材料企業普遍利潤收窄，影響研發投入和優質產能建設，企業自身很難激發起堅決押注硅負極的決心。
展望未來，鋰電創新仍然繞不開硅負極、鋰金屬負極等關鍵技術，負極材料換代是難以繞開的關口，為了避免被難以事先預計的“顛覆式創新”傷害，我們除了奮起直追別無選擇，與其等到海外供應鏈成型、股東其新的商業風潮后再疲于追趕，當下的果斷布局無疑更具性價比。
參考來源：
付祥南等.化學氣相沉積法制備硅碳復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
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（中國粉體網編輯整理/蘇簡）
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