畅谈硅碳负极产业化开发现状及未来前景——专访天津师范大学张波研究员

作为锂离子电池关键材料之一，负极材料对锂离子电池的最终性能起着至关重要的作用。随着新能源汽车的发展，在动力锂离子电池追求高能量密度和低成本的趋势下，市场对负极材料性能提出了更高的要求。以硅基负极、金属锂负极、金属氧化物负极等为代表的新型负极材料的研发正在如火如荼地进行，同时这也反映了未来负极材料产业化的新趋势。2023年10月25日到26日，第二届先进负极材料技术与产业高峰论坛在广东东莞隆重召开，会议期间，我们邀请到了业内专家学者做客对话栏目，进行访谈交流。本期为您分享的是中国粉体网对天津师范大学张波研究员的专访。

中国粉体网：张老师，据了解您是很早就开始从事硅碳负极材料的产业化开发工作的，那么对于目前的国内硅碳负极产业化开发的现状您是如何评价？它未来的前景您是如何看待？

张研究员：硅碳负极是一种高容量的材料，开发得很早，那么为什么开发它呢？是因为无论对于3C类电池，还是动力电池来说，高容量是未来发展的趋势，而电池的高容量取决于高容量电极材料的开发。

硅碳负极包括硅氧碳和硅碳两种，硅氧碳在十年前就已经开始进行产业化开发了，最近两年硅碳的开发才逐渐受到大家的重视。那么为什么要进行硅碳的开发呢？是因为硅氧碳本身的循环很好但是首效很低，需要进行预锂化处理、气相碳包覆等，所以它整体的成本比较高。如果我们采用纯的硅和碳进复合，就不需要进行预锂化处理，那么它的成本就会下降。并且硅氧碳在一些性能上，存在不能满足要求的地方，所以这也是进行硅碳开发的一个原因。

硅碳开发面临的问题主要是纳米化，无论是砂磨法还是硅烷沉积都有很多的技术难题去解决。

对于未来的前景，硅碳负极的前景非常不错，目前随着中国动力电池的发展，这种高容量材料的市场份额肯定会越来越大，随着硅碳技术的进步，它的市场需求也逐步地呈现一个爆发性的增长。

中国粉体网：硅碳负极材料的主要原料是硅粉和碳粉这两种材料吗？

张研究员：在这里不谈硅氧，只谈硅碳，硅碳负极的制备基本上是有两种主流的路线。一种路线是用硅粉做成纳米硅粉，和碳做复合，然后再掺混石墨。另外一种路线是硅烷沉积，也是现在比较火热的一种技术，它与硅的纳米化和碳包覆工艺路线不同，而是直接将硅烷沉积到多孔碳的孔隙中，通过气相沉积法直接生成纳米硅，然后再进行碳包覆。

这两种路线，它们的原料是不一样的。硅粉的纳米化，成本相对来说是比较低的，目前面临的技术挑战，一是纳米尺度要做得非常小，二是纳米化以后要解决它的分散问题，并且碳包覆也是一个很大的技术难题。

硅烷沉积的技术难题相对来说更大，一个是硅烷本身是一种特种气体，是一种高毒性、高爆炸性的气体，所以在产业化尤其是规模化生产的时候，需要面临一些特种设备选型的问题，包括安全性等问题。另一个难题是硅烷要沉积到多孔碳中，首先多孔碳的制备本身就具有很大的技术挑战性，其次硅烷是一种价格比较高的材料，并且多孔碳的价格一般也比较高，两种材料复合后降本空间就非常小，所以成本控制也是比较大的问题，这也是它面临的一个主要问题。

中国粉体网：您刚才提到硅碳材料的原料之一是纳米硅粉，它的制备方法常用的有哪些？

张研究员：现在用砂磨法比较多，但是纯的砂磨法有一定的限制，能够做到100nm以下，甚至50nm左右，再往下就很难降低了，所以纳米硅粉的制备，在纯的砂磨法基础上还要结合其他的方法再进一步进行改进。

中国粉体网：您刚才提到砂磨法的限制，是否和砂磨机设备相关？

张研究员：设备是一方面，砂磨机厂家是很多的，我以前是在企业做一些产业化的工作，后来在学校实验室做一些研究，在实验室有一些设备是好实现目标的。但是，在实际工业化生产和实验室中要解决的问题完全不一样，工业化生产中要解决一些工程化的问题，比如说它的一些传质问题、传热问题和放大问题，所以设备的确非常重要。首先要确定工艺，在工艺方向确定以后再去解决设备的问题，单纯的靠设备去解决砂磨法的限制也是有一定局限性的。

中国粉体网：目前您团队在硅碳负极产业化过程中面临的最大的难题，需要攻克的难题是什么？

张研究员：我们做纯的硅碳材料比较早，2014年就开始做，当时我判断未来高容量化是一个发展趋势，应该说我们是在国内做的比较早的硅碳产业化的开发，不是指的做基础研究，而是产业化开发比较早。

我们当时对设备、工艺做了非常多的探索工作，做到现在，我们进行了很多的技术积累，解决了很多的技术难题：解决了一些工程化的放大问题；解决了目前纳米硅的一个尺度问题，可以做到50nm米以下；解决了纳米硅的分散性问题；也解决了行业内大家面临的碳包覆问题。

在做到纳米化以后碳包覆技术的挑战性就会非常大，目前这个工作我们也在一直进行优化。

下一步，首先做研发及产品的产业化过程是没有终点的，我们要把产品的性能持续提升。其次，产品的成本要继续降低，做产业化开发和学术研究不一样，一定要考虑性能和成本，不考虑成本，产品做得再好却没有市场客户，是没有意义的。

我们现在做的，一个是利用现有的研磨工艺结合一些改性方法把尺度进一步降低，在保持低成本的前提下，看看未来能不能达到和硅烷沉积同样的水平，这是我们一直在努力的目标。

当然，单纯依靠目前的技术进行硅纳米化，再去做碳复合，很难做到10nm以下或5nm以下。对于硅烷沉积工艺，我们有多孔碳的技术，在前些年为了取代日本的超级活性炭，我们做了一些产业化开发，所以我们可以调控碳的孔结构，也可以控制它的成本。当然我们也有多年石墨负极的研发经验，依托这些优势，我们现在也在寻求硅烷厂家进行硅烷沉积工艺的开发。硅碳材料的这两条工艺路线和目前的一些产品有些类似，比如天然石墨和人造石墨，在中国动力电池市场，天然石墨市场范围一直在降级，刘洪波老师在报告中讲到目前已经降到20%以下，甚至到了15%，人造石墨市场范围越来越大。但是天然石墨不需要石墨化，所以它具有天然的低成本优势，日韩在10年前也把天然石墨用在动力电池领域，天然石墨这种低成本的材料，其性能劣势是可以通过技术手段解决的，所以，这种低成本的材料是有未来潜力的。

我觉得纳米硅的技术路线和硅烷沉积的技术路线是两个平行的路线，主要看未来谁的成本更低，谁的性能更好，所以它们是一个相互竞争的关系。

中国粉体网：张老师您在产学研合作以及成果转化方面进展情况能给我们介绍一下吗？

张研究员：因为我是从企业回到高校，所以我的目标是想把科研项目从实验室最终做到产业化，从实验室能够走向市场，我们在将近十年里也是一直在做这个事情。

当然中间经历了很多困难，尤其是前几年经历了疫情，所以非常困难。疫情之后，我们进展很快，纳米硅项目、硅碳项目现已获得了海外的投资，大约1600万的投资；专利技术也实现了将近1000万的技术转让；我们的厂房也已经确定，目前正在进行产业化建设，一切都已步入正轨。

一个项目进行产业化，面临的困难会非常多，但是我们已经成功的迈出了第一步，而且基于我们近十年的技术积累，以及与资本方、公司运营团队的强强联合，我们有十足的信心将纳米硅和硅碳材料的产业做大做强。

（中国粉体网采访/平安、编辑/苏简；经张研究员审阅）

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