新硅碳负极专家交流纪要：多孔碳包覆硅负极方案是锂电池中应用较好的技术路线

科技 2024-09-01 11:25 天津

一、综述

1.锂电池产业中硅碳负极材料的进展

近年来，硅碳负极材料在动力电池领域的应用日益增强，年产量己突破千吨级别，并预期将逐步迈向万吨级规模。尽管在方形电池结构中，硅碳材料的应用适配度相对较低，使用比例尚不足5%,但在大圆柱形电池设计中，其应用率则显著提升，可达到4%以上。同时，在消费电子市场，特别是在电动工具和智能穿戴设备中，硅基材料的应用比例也在稳步提高。

2.硅碳负极技术瓶颈及应用场景解析

当前，硅碳负极面临的主要问题是首次效率低与成本较高。硅碳材料未经预锂化处理时效率偏低，需通过预锂化或预镁化方式将其首次效率提升至约90%,但这会使得材料价格从裸露状态下的30万/吨飙升至预处理后的五六十万/吨。此外，硅碳材料的体积膨胀问题突出，虽可通过细化粒径至100纳米以下以优化控制，但因其与硅氧材料在容量上相近且都需要碳包覆,因此两者关键差异主要体现在材料掺杂比例以及对不同电池形态的适应性上。如在圆柱电池中硅碳掺杂比例可达10%,而在软包电池中则较低，电动工具和消费类电池通常维持在2%-2.5%的比例。

3.硅碳负极优化及其良率挑战

硅碳负极材料在实际应用中的一个重要问题是其对负极极片厚度的影响，可能导致卷绕过程中的良率下降，尤其在大圆柱电池生产中，相较纯石墨材料，良率有所下滑。目前，硅碳的实际参与比例大致集中在3%-7%区间，随着加工工艺的成熟稳定，未来有望提升至10%,预计在未来两年内新增产能的释放将较为明显。然而，当硅碳含量超过3%时，须在循环效率和安全性间寻求平衡，故主流电池厂商多保持在3%左右，力求在提升能量密度的同时确保电池安全性能。

4.硅碳负极的成本效益分析

采用硅碳负极材料虽然会带来电池成本的小幅增加，但也能够有效提升能量密度，例如使大圆柱电池的能量密度从260Wh/kg提升至280Whkg。预计到2025年，硅基（更多实时纪要加微信：aileesir）材料使用比例将由目前的25%增长至40%,短期内不会全面普及，但硅碳负极相较于传统石墨负极虽成本略增,但鉴于其带来的能量密度提升，性价比有显著提高。

5.硅碳负极材料供应链现状与展望

国内外已有贝特瑞、天麦先导等多家企业涉足硅基材料开发，但整体产能规模较小，其中贝特瑞产能约为2000吨，而天麦先导、南溪智德规划万吨级产能，但实际产能仅几百吨。在硅碳负极材料性能方面，贝特瑞的产品稳定性较强，不过国内产品与国外先进的硅碳、硅氧产品在性能上仍存在差距，部分国际企业已实现1500次循环，拥有纳米硅高细度和优良功效。新技术研发趋势集中于颗粒粒径控制和制造方法改进，如等离子蒸发、CVD法、多孔碳包覆等，其中多孔碳包覆技术有助于提升硅碳负极的循环寿命，更符合动力电池需求，正逐渐实现产业化。

6.硅碳负极材料未来发展趋势

硅烷在动力电池中的应用与硅碳技术紧密关联，对于长周期循环至关重要。主流方法包括采用CVD硅烷技术和微米硅转化为纳米硅。未来，动力电池中硅烷的使用占比预计将显著提高,传统研磨技术的应用将减少。许多厂家正在积极研发自备硅烷生产能力，以解决硅烷存储和运输难题。同时，多孔碳材料在动力电池中的应用也是重要趋势，配合纳米硅可以显著改善电池性能，随着技术进步，传统沥青包覆方式的比例将大幅削减。

7.成本与技术双重考量下的硅碳负极发展

面对动力电池市场的快速增长，硅氧和硅碳均展现出巨大潜力，其中硅氧因膨胀小、循环寿命长等优势受到关注，但硅碳因其未来增长趋势更为显著。尽管硅碳负极面临膨胀大、循环寿命短等挑战，但通过技术改良，尤其是纳米化处理，能够在提升性能的同时降低成本，具有长远的竟争优势。技术壁垒方面，“造孔”技术与“纳米硅制备及成本管控”是两大关键技术难点，前者涉及到专利保护，后者关乎产品的均匀性和成本控制。

8.硅碳负极与锂电池匹配性探讨

硅碳负极材料与不同化学体系电池的匹配特性各异。高镍三元电池与硅碳负极相得益彰，能大幅提升能量密度。相比之下，磷酸铁锂电池虽具有良好的循环性能，但与硅碳负极搭配后,电池循环寿命不佳且安全性降低，从而影响性价比。硅烷一体化生产方法由于在成本和安全性上的优势，相比分离式生产模式更有利于硅碳材料的大规模生产和成本控制。

二、Q:有关硅碳和硅氧负极材料在近两年产业化进展以及终端应用方面的变化有哪些?

A:近两年，硅碳和硅氧负极材料的产业化进程有了显著进步。在市场上，涌现出许多生产相关材料的企业，同时也有电池制造厂开始初步应用。目前市场上的产量已经达到了每年千吨级别。硅碳硅氧主要应用于动力电池的两个方面：一种是软包电池，由于耐膨胀性较弱，使用较少；另一种是钢壳结构的圆柱电池和方形电池，圆柱电池更为适合硅碳的应用。方形电池目前在市场的大规模应用仍需时日，由于其结构关系，面临膨胀导致鼓包的风险。在方形动力电池中，硅碳的应用比例大致在4%以下。新型的大圆柱电池与硅基负极材料匹配度高，有望在未来实现装车。此外，电动工具领域对高倍率和高容量的追求推动了硅基材料在原装电池中的应用，目前已经提高到超过10%的比例。

Q:硅基负极材料的应用前景和市场发展趋势如何?

A:动力电池是推动硅基负极材料应用的主要力量，随着电池形态、能量密度和充电倍率的提升，硅基材料的应用进程将加速。整体上看，硅基材料的应用前景十分乐观，产量有望从千吨级发展到万吨级别。未来还将满足高充电倍率的需求，比如4C、5C、6C等级的高倍率充电，因此对硅基材料的需求潜力巨大。

Q:目前硅碳负极在产业化应用中的瓶颈主要是什么?硅碳负极的首效和体积膨胀情况如何?

A:当前硅碳负极在产业化应用中的瓶颈主要体现在两方面。首先是首效，特别是硅氧负极，在未经预锂化或掺杂处理时，其首次充放电效率只有78左右。要想提高首效，必须进行预锂化或掺杂处理，使之能够达到90%以上。不过，这同时会增加成本，没有预锂化的硅基负极材料成本可能在30万元/吨左右，而经过处理后的成本可能会达到五六十万元吨。其次是体积膨胀问题，硅碳材料的体积膨胀在充放电过程中较为显著,纯硅的体积膨胀可达到三倍以上。硅氧相对于硅碳的体积膨胀更小，这也在一定程度上影响了硅碳负极材料的应用推广。

Q:硅碳负极和硅氧负极在各种电池形态中的渗透率如何?他们的容量、成本和未来的各种电池中的应用比例又是如何?

A:从电池形态上来看，硅碳负极和硅氧负极的应用存在差异。在圆柱形电池中，由于结构上能更好地抵抗体积膨胀，硅氧可以达到较高的添加比例，通常可以超过10%。相比之下，软包电池中使用的渗透率较低，一般在1%以下，而方形电池的应用比例通常在3%以下。未来的产品中硅碳和硅氧的比例可能会进一步提升，硅碳的比例可能达到7%、8%,甚至在优化后达到10%。而硅氧的渗透率可以实现12%甚至更高。在实际容量上，无论是硅碳还是硅氧，都需要经过碳包覆处理，这样一来两者的容量接近，大致在1500毫安时左右。未来的研发方向也将是提升添加比例，动力电池中参考比例将从当前的3%提升到5%至6%,软包电池的上限预计可达到4%左右。

Q:现在一些典型的电池产品，比如小圆柱电池、特斯拉的4680电池等，它们在使用硅碳负极时，具体的掺杂比例情况如何?

A:目前小圆柱电池的市场占有率较高，硅碳或硅氧的掺杂比例约为3.5%,通常产品的容量是415毫安时。特斯拉的4680电池以及其他大圆柱电池还在进行掺杂方面的开发，其比例尚未大规模商用化。消费类电池产品中，硅氧是主要选择，其掺杂比例大多在2%到2.5%之间。展望未来，掺杂比例有望进一步提升，电动工具等产（更多实时纪要加微信：aileesir）品可能会发展出掺杂6%、7%的硅碳或硅氧负极材料，改善电池的充电速率和能量密度。

Q:当前硅碳负极材料在大圆柱电池中的应用情况如何?有哪些技术或产能方面的挑战”

A:目前在大圆柱电池中，硅碳负极材料的应用面临着良率挑战。在小圆柱电池中，良率可以达到98%到99%,但在大圆柱电池中想要实现能量密度达到300瓦时每公斤时，其良率可能还不到90%,普遍只有80%多。这是因为硅碳负极材料会导致负极片变薄，与正极容量对等后，在卷绕过程中圈数增加，影响良率。目前大圆柱电池的硅碳掺杂比例大约是6%到7%,而量产的增量产能在未来两年内预计会较大。未来硅碳掺杂比例有潜力提高，但这需要大圆柱电池良率和工艺稳定之后才可实现。目前，硅碳掺杂比例在3%到4%左右。

Q:关于消费类电池，比如用于手机和蓝牙耳机的钢壳电池，硅碳负极材料的应用情况如何?

A:对于消费电池，目前使用的是以硅氧为主的材料，硅碳掺杂比例大约在3%左右。即便有开发能量密度更高的产品，比如掺杂比例达到6%到7%,但这些高掺杂产品尚未出货。就目前而言，常见的有部分出货的钢壳消费电池，其硅碳掺杂的比例为1%到3%。低于3%的掺杂比例能量密度提升会比较有限，而高于3%则可能会影响电池的稳定性，如循环寿命和安全性。因此，3%左右的硅碳掺杂比例成为了主流。

Q:硅碳负极材料的使用将会如何影响电池的能量密度和综合成本?

A:硅碳负极材料的加入，可以提高电池的能量密度。以大圆柱电池为例，原先使用石墨负极的电池能量密度大约在260瓦时每公斤，加入3%左右的硅基材料后，能量密度可提升至280瓦时每公斤。在成本方面，加入硅基材料前后，每千瓦时的负极石墨用量由1200吨降至1000吨左右，其中包含35吨的硅基材料。硅基材料实施后的整体成本略有增加，约为每G瓦时增加500万左右。尽管提升了能量密度，整体成本并没有大幅增加，综合来看在性价比方面是有优势的。由于能量密度的提高，铜箔等其他材料用量可以降低，有助于抵消材料成本的增加。因此最终来看，每G瓦时成本增加大约为五六百万。

Q:电池行业当前硅碳负极的应用情况如何?有何发展趋势?

A:目前在小圆柱电池方面，约有25%左右采用硅基负极，并预计到2025年这一比例会上升到40%。长远来看，渗透率可能会维持在50%到55%之间。方形电池领域的硅碳应用比例目前较低，不超过5%,实际约在3%左右，而大圆柱电池应用还不算普及且渗透率有待提升。软包电池在动力电池方面尚未大规模采用硅基负极。综合现有情况和未来预期，小圆柱电池的硅碳应用是目前发展较快的领域，且将继续增长。

Q:请介绍目前硅碳负极材料方面的国内外主要供应商及其产能情况。

A:国内在硅碳负极材料开发方面的主要企业包括德州传统负极厂商、贝特瑞、天猫先导、北京一星、南溪智德、郑拓、中科电器等。这些企业的产能普遍不大，例如天猫仙岛计划万吨级但实际有效产能仅500吨，南溪智德宣称产能3000吨但实际产能在七八百吨左右，贝特瑞则略高，约在2000吨。硅碳国内供应商大多数不超过千吨级规模，如三三、普拉达接近千吨级。对于海外来说，如格农、计时4、安普瑞斯等在硅碳材料方面做得较好，尤其是像日本现代化学和韩国大洲在硅氧材料方面的表现尤为出色。

Q:目前硅碳负极材料产品性能如何，与国外产品相比有何差距?

A:在性能方面，国内硅碳负极材料如贝特瑞的产品相对稳定，但在动力电池循环寿命方面与国外产品相比，仍有一定差距。目前，国内的硅碳材料能在小倍率下(如0.3C)达到1300多次循环。海外则有能够达到接近1500次循环寿命的硅碳产品，如格农的产品。硅氧材料方面，日本现代化学和韩

国大洲是表现最好的厂商，无论是循环性、首效还是体积膨胀，这两家公司都领先国内市场。整体来看，海外的硅氧材料性能略好，硅碳在循环方面有优势。但部分国内品质较好的产品与海外的差距并不大。

Q:在硅碳负极材料技术发展方面，哪些技术更具前景，目前产业化情况如何?

A:目前，采用多孔碳包覆硅的方案被认为是未来动力电池中应用前景较好的技术。多孔碳的孔隙特性对于纳米硅的均匀性和耐膨胀性有优势，能够降低成本且不需要预锂化处理，同时循环寿命可满足动力电池要求，超过1500次。预计在2022年会逐渐在产业化中得到应用。而现在动力电池领域还是以硅氧材料为主，多红碳包覆技术的应用比例还不高，不过其性能和稳定性较传统的CVD或沥青包覆技术有明显提升。未来这种材料的应用比例预计会有所增长。

Q:多孔碳包覆硅的技术在应用上存在哪些劣势?

A:这种技术的主要劣势是成本较高，且匹配的多孔碳的制造技术尚未完全成熟。制造多孔碳的过程中要与硅颗粒的沉积方法相匹配，现在多采用的硅烷裂解法与多孔碳的结合比较理想,但此方法的成本偏高。因此，无论是多孔碳的生产难度还是其配套的硅基材料的制造成本,都是这项技术应用推广面临的主要障碍。

Q:如果使用多孔碳的方向进行硅碳负极的研发，而非传统的沥青包覆方法，那么在配比和性能上会有什么变化?

A:采用多孔碳方向时，传统沥青包覆材料的比例会大幅缩减。多孔炭与纳米硅结合，将提升性能，包括循环性和高温性能。相对地，若使用沥青包覆纳米硅，则可能导致这些性能下降。曾经沥青包覆的比例可能高达70%到80%,而采用多孔材料后可能只有1%到2%。

Q:在储存和运输方面，硅烷有什么问题?未来硅基材料在动力电池中的使用比例预计是多少?。

A:硅烷作为气体，其储存与运输存在一定问题，许多广家正在开发自备的生产能力。动力电池中，硅烷制造的硅基材料预计将占到至少50%到60%。相较于微米硅方案，硅烷的成熟度可能相对较低，但使用量在未来会大幅增加。

Q:纳米硅的生成方式及其对硅碳负极材料的影响是什么?使用多孔碳是否会减少硅烷或其他前体材料的使用?

A:纳米硅的生成有两种方式：一种是通过等离子蒸发将微米硅转化成纳米级别，另一种是通过硅烷直接生成纳米硅。这两种方式都适用于多孔材料，而未来在动力电池中多孔碳的应用是一个不容忽视的方向。无论是微米硅还是硅烷，都需要与多孔碳结合使用，而沥青包覆的比例会因此下降：

Q:硅氧和硅碳负极材料在动力电池应用上是否会存在一个优选方案，还是两者将来会共存?

A:从目前技术角度分析，硅氧负极材料在膨胀控制和循环寿命方面具有优势，能够更容易达到1500次以上循环寿命。然而，硅碳负极材料未来有望在市场中占有更大比例。预计到2026年之后，硅碳可能将成为主流，硅氧起辅助作用。尽管硅碳目前在循环寿命和体积膨胀方面存在劣势，通过使用硅烷、多孔碳和等离子蒸发等方法，可以显著改善这些性能，并且成本

上有可能低于硅氧，因为它不需要预锂化和预烧结。考虑到硅碳的能量密度潜力较高，可以做到92以上，这就使得硅碳在未来动力电池应用中的占比将更高。

Q:硅碳负极材料生产中哪个步骤的技术壁垒最高?

A:硅碳负极材料制备涉及多个工艺步骤，造孔工艺是一个技术难点，许多公司对此有自己的专利。纳米硅的制备是目前的主要挑战，因为需要保证纳米硅有效且均匀，且成本要低。控制成本和确保多孔结构的均匀性是目前最具技术难度的部分。总体来说，基底材料的制备和造孔都很重要，但对比之下，纳米硅的形式和成本控制更加关键。

Q:现在硅碳负极材料生产中多孔碳的来源如何?多孔碳的原料一般是什么?

A:多孔碳通常由企业自行研发合成。原料的纯度对制备均匀孔径的多孔碳至关重要，例如椰子壳中成分复杂，选择纯一些的木质素或其它成分进行合成会更有利于制备均匀的孔结构。也有方法是通过有机物合成后的高温烧结来制造。当前多孔碳的价格大概在5到10万元人民币每吨之间，取决于使用的原料和制备工艺。未来随着量产的推进，制备多孔碳的技术可能有进一步发展，使得性价比和规模化更有优势的技术可能成为主流。

Q:不同化学体系中应用硅碳负极有什么不同要求?谷酸锂单元与磷酸铁锂使用硅碳负极的差异在哪里?

A:对于谷酸锂三元，其正极材料的能量密度较高，配合硅碳负极能更好地匹配，因为电池制造中正极和负极的容量需要协调，谷酸锂三元与硅碳负极的压实密度差异较小，容量更容易匹配。相反，磷酸铁锂的容量相对较低，与硅碳负极搭配时，可能在极片匹配和循环寿命上带来问题。磷酸铁锂的循环性非常好，可以达到数千次循环，而硅碳负极的循环寿命则相对较短，硅氧负极可能在2000次后性能衰减，硅碳负极如果能做到1500次已经算是较高了。调配磷酸铁锂时，电解液组成较简单且成本低，但与硅碳负极匹配会提高成本，对循环稳定性有负面影响。因此，磷酸铁锂与硅碳负极通常不是理想的搭配，电池企业很少将其结合使用。高能量密度的三元材料，如8系、9系更适合与硅碳负极匹（更多实时纪要加微信：aileesir）配，相比之下使用5系、6系的效果较差。硅碳负极在适配上尤其需要考虑和高能量密度正极材料的匹配性。

Q:硅碳负极的未来成本前景如何?采用一体化生产硅碳材料会更具竞争力吗?

A:硅烷是硅碳材料一个重要的原料，它有安全性问题，且运输成本高。如果能够实现硅烷的一体化生产，则在控制成本和保障安全性方面具备优势。目前，由于技术路线没有完全确定,存在多种方法来制备硅碳材料。长期而言，开体化生产硅碳材料的方案可能拥有较强的竞争力，主要是因为成本控制和安全性的管控都更为容易。（信息来源：价投基地）

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