负极材料“换代”？——CVD气相沉积硅碳技术

硅碳负极材料的制备方法有化学气相沉积（CVD）法、机械球磨法、喷雾法、镁热还原法、溶胶-凝胶法以及热解法等。在众多硅碳负极材料制备方法中，因CVD制备的硅碳负极材料具有充放电效率高、循环稳定性好、对设备要求较低、适合工业化生产等优势，受到了广泛关注。

常见硅碳负极材料制备方法比较

CVD气相沉积硅所需生产流程短，设备少，理论成本低。从目前的性能测试结果看，CVD法多孔硅碳克容量、首效、循环次数、倍率等多个维度性能表现优异；在生产方面，多孔硅碳硅基负极可减少预锂、预镁，相比于硅氧路线具有大幅降本的潜力。因此，无论是从目前已经实现的性能、成本和产品稳定性来看，还是从技术路线的未来潜力来评判，气相沉积硅碳都被认为是最具优势的方向。

Group 14——CVD气相沉积硅碳

2022年底以来，美国气相沉积硅公司Group 14产品在国内几家头部电芯厂新测的数据“惊为天人”，其全电的内阻、循环、首效、克容量、膨胀率较硅氧和研磨硅相对来说取得了大范围的提升，获得了保时捷、ATL、光石、BASF、SK全球、微软、美国碳中和基金的投资，成为新一代的“硅基之王”。

Group 14采用的是一种新型的气相沉积硅碳技术，核心是通过多孔碳骨架来储硅，先用高分子材料制造出类似海绵一样具有多孔结构的碳颗粒，然后向多孔碳颗粒的孔隙里通入硅烷气体，通过高温热解使气体沉淀成硅纳米颗粒分散在多孔碳的孔隙里，该方法能对制备的纳米材料实现分子尺度的控制，产品形貌较好，同时沉积产生的硅碳材料组分均匀，结构较为致密，通过多孔碳内部的空隙来缓冲体积膨胀，因此膨胀率低，循环优异。其中的碳骨架不仅制作成本低，本身也具备不错的储锂能力，加之碳骨架本身密度小质量轻，使得材料能量密度高。

CVD法制备硅碳负极的技术壁垒

目前，国内外气相沉积硅碳的技术壁垒和产业化难点主要在于多孔碳的选型、沉积设备和沉积工艺三个领域。即便是在气相沉积硅碳领域的领导者，如Group 14公司，仍未能实现大规模的百吨级量产。

碳材料的选择涵盖了碳骨架的合成策略、应用场景的界定以及评估方法的规划。碳骨架的品质直接影响了未来产品的规模化制造潜力。在电池领域，不同种类的多孔碳需要与适宜的石墨种类相匹配，以确保在电池正极端表现出卓越性能。在不同应用场景下，对碳骨架的孔径、孔容和孔隙率等特性有不同的要求，因此性能表现存在显著差异，这要求专业的电池设计团队的紧密协作以完成开发工作。制定科学合理的测试方案在碳材料研发中至关重要，因为这决定了多孔碳材料性能的高效准确评估，以及在硅碳复合材料和全电池中的实际表现，这也会直接影响公司研发工作的准确性和效率。

在沉积工艺方面，不断的试错是推动行业不断进步的动力之一。小规模试验性沉积工艺的壁垒相对较低，但在迈向大规模生产阶段，工艺的一致性要求异常高。涉及到百公斤级别的混合料、炉腔内的温度分布控制、腔体内气压分布等，这些都需要经过大量的仿真与实验来优化。目前，光伏级别的硅烷已经达到了满足硅碳材料要求的纯度水平，未来低成本硅烷的生产将成为团队核心能力的重要组成部分之一。

针对沉积硅碳材料的设备，目前主要分为回转窑和沸腾床两类，各自具有优缺点。回转窑工艺相对简单且重复性高，因此海外制造商普遍采用该设备。然而，该工艺的沉积效率一般，硅烷有一定浪费，而且批次生产量较低，颗粒的覆盖性也稍显不足。与之相对，沸腾床作为一种设备在医药和化工等领域广泛应用，但需要满足高度密闭和高气压条件，以实现小颗粒的包覆。至今尚未有企业能够做出实现百公斤级别连续化生产的沸腾床设备。而在以上两种设备之间的选择尚未达成共识。

硅负极市场将突破，国内企业何去何从

SNE Research发布的《2024年锂离子电池硅负极技术现状与展望》报告显示，随着这一新型负极材料应用从3C消费向动力电池领域拓展，预计2024年硅负极的市场渗透率也将突破长期以来1%的封印，步入上升轨道，市场规模将以39%的复合年增长率，一路飙升至2035年的660亿美元，整体市场渗透率也将达到10%左右。

在知识产权布局上，根据中国科学院宁波材料技术与工程研究所评估，我国于硅合金、硅氧化物、电解液、粘结剂和集流体领域又面临着较高专利侵权风险，这意味着硅负极材料产量高了铁锂电芯企业用不起，进入海外市场还可能招惹专利侵权官司，更何况当下的惨烈行情中，负极材料企业普遍利润收窄，影响研发投入和优质产能建设，企业自身很难激发起坚决押注硅负极的决心。

展望未来，锂电创新仍然绕不开硅负极、锂金属负极等关键技术，负极材料换代是难以绕开的关口，为了避免被难以事先预计的“颠覆式创新”伤害，我们除了奋起直追别无选择，与其等到海外供应链成型、股东其新的商业风潮后再疲于追赶，当下的果断布局无疑更具性价比。

参考来源：

付祥南等.化学气相沉积法制备硅碳复合负极材料的研究进展

陈义等.锂离子电池硅碳负极材料的制备及其研究进展

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