電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/黃山明）電池通常由正負(fù)極材料、電解質(zhì)、隔膜這三個(gè)主要部分組成，以正負(fù)極材料為例。正極材料通常決定了電池的理論比容量和工作電壓，而負(fù)極材料則主要影響到電池的總?cè)萘俊?br />
近期，南昌大學(xué)岳之浩教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種氣相沉積硅碳負(fù)極材料，代表了當(dāng)前硅基負(fù)極領(lǐng)域的主流高端技術(shù)路線，其技術(shù)架構(gòu)具有明確的科學(xué)性和產(chǎn)業(yè)價(jià)值。有望實(shí)現(xiàn)讓手機(jī)可以兩到三天再充一次電。

攻克硅負(fù)極材料世界難題

傳統(tǒng)鋰電池負(fù)極主要采用石墨材料，其理論比容量為372mAh/g，這一物理極限已成為提升電池整體能量密度的關(guān)鍵制約因素。近日，南昌大學(xué)岳之浩教授團(tuán)隊(duì)在硅碳負(fù)極材料領(lǐng)域取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，其研發(fā)的新型負(fù)極材料有望顯著延長(zhǎng)設(shè)備單次充電使用時(shí)間。

硅基材料的理論比容量高達(dá)4200mAh/g，約為石墨的11倍。若能有效應(yīng)用，可大幅提升電池能量密度。然而，硅在鋰離子嵌入與脫出過(guò)程中會(huì)發(fā)生顯著的體積變化，膨脹率超過(guò)300%。

這一物理特性導(dǎo)致材料顆粒破裂、電極結(jié)構(gòu)崩解、固體電解質(zhì)界面膜（SEI膜）反復(fù)破裂與再生，最終造成電池容量快速衰減、循環(huán)壽命嚴(yán)重縮短。數(shù)十年來(lái)，全球科研與產(chǎn)業(yè)界始終未能找到兼顧高容量與長(zhǎng)壽命的可行方案。

一方面在于解決方案對(duì)微觀結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)控制難度高，需在納米至微米尺度精確調(diào)控孔隙尺寸、分布及硅顆粒負(fù)載量，任一參數(shù)偏差均影響膨脹緩沖效果與離子傳輸效率。

同時(shí)對(duì)界面結(jié)合穩(wěn)定性要求也很高，硅與碳在反復(fù)體積變化中易產(chǎn)生界面分離，需通過(guò)工藝實(shí)現(xiàn)原子級(jí)結(jié)合，對(duì)沉積溫度、氣體組分等參數(shù)控制極為敏感。而實(shí)驗(yàn)室克級(jí)制備與噸級(jí)量產(chǎn)在設(shè)備、參數(shù)穩(wěn)定性、一致性方面差異巨大，需解決流化床反應(yīng)器設(shè)計(jì)、氣氛控制等工程問(wèn)題。

岳之浩團(tuán)隊(duì)提出三維球狀多孔碳骨架結(jié)構(gòu)方案，該結(jié)構(gòu)通過(guò)氣相沉積工藝，將納米級(jí)硅顆粒均勻嵌入具有特定孔隙分布的碳骨架中。碳骨架提供連續(xù)的電子傳導(dǎo)路徑，同時(shí)預(yù)留充足空間容納硅的體積變化，有效分散機(jī)械應(yīng)力，避免顆粒間相互擠壓與結(jié)構(gòu)失效。

在界面處理方面，團(tuán)隊(duì)優(yōu)化氣相沉積參數(shù)，使硅與碳骨架形成牢固結(jié)合，顯著提升界面穩(wěn)定性，減少充放電過(guò)程中的接觸失效風(fēng)險(xiǎn)。此外，采用梯度孔隙設(shè)計(jì)，使碳骨架不同區(qū)域具備差異化的剛度與孔隙率，進(jìn)一步優(yōu)化應(yīng)力分布。

經(jīng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該氣相硅碳負(fù)極材料實(shí)現(xiàn)可逆比容量1000-2200mAh/g；在與石墨復(fù)配的實(shí)際應(yīng)用條件下，負(fù)極整體比容量達(dá)500mAh/g，循環(huán)壽命超過(guò)3000次，容量保持率80%以上。性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，并打破此前由國(guó)外企業(yè)主導(dǎo)的技術(shù)格局。

最重要的是，該解決方案做到了成本與性能的協(xié)同優(yōu)化，早期硅碳材料因原料與工藝成本過(guò)高難以商業(yè)化。團(tuán)隊(duì)通過(guò)工藝簡(jiǎn)化、設(shè)備國(guó)產(chǎn)化及規(guī)模化路徑設(shè)計(jì)，推動(dòng)成本向產(chǎn)業(yè)可接受區(qū)間收斂。

打破海外壟斷，用低成本賦能高價(jià)值產(chǎn)業(yè)

當(dāng)前全球硅碳負(fù)極領(lǐng)域主要有美國(guó)、日本企業(yè)壟斷，例如美國(guó)的Group14 Technologies公司就是硅碳負(fù)極領(lǐng)域的龍頭，其SCC55（Silicon Carbon Composite 55）技術(shù)采用多孔碳骨架（碳?xì)饽z結(jié)構(gòu)）結(jié)合CVD工藝，將納米硅精準(zhǔn)沉積于碳骨架孔隙內(nèi)。

性能上硅碳復(fù)合材料比容量約1500-1800mAh/g；在電池中與石墨混合應(yīng)用后，負(fù)極整體比容量提升至約500-600mAh/g。并且作為氣相沉積硅碳路線的代表性技術(shù)，長(zhǎng)期在高性能負(fù)極材料領(lǐng)域占據(jù)技術(shù)先發(fā)優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)部分企業(yè)曾依賴其技術(shù)或樣品驗(yàn)證。

而國(guó)內(nèi)過(guò)去常用的方式為機(jī)械球磨，主要就是硅粉與碳材料在球磨機(jī)中物理混合，再經(jīng)碳包覆，這樣做出來(lái)的硅顆粒最小只能磨到100-500nm，物理接觸界面電阻大，并且包覆層在膨脹時(shí)易開(kāi)裂脫落。好處就是成本足夠低，可以達(dá)到CVD的五分之一左右。

岳之浩團(tuán)隊(duì)的CVD產(chǎn)品在比容量可以達(dá)到每克1000-2200毫安時(shí)，與石墨復(fù)配后也能達(dá)到約500毫安時(shí)，明顯高于傳統(tǒng)石墨負(fù)極的理論上限。循環(huán)壽命可以達(dá)到數(shù)千次，在80%容量保持率的情況下使用次數(shù)超過(guò)3000次，這已經(jīng)和國(guó)外頭部企業(yè)的指標(biāo)處于同一區(qū)間。

當(dāng)前儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)面臨能量密度瓶頸，硅碳負(fù)極是突破400Wh/kg的關(guān)鍵。例如在4680大圓柱電池中，必須使用10-15%摻混硅碳負(fù)極才能實(shí)現(xiàn)300Wh/kg以上的效果。并且在固態(tài)電池中，硅碳是固態(tài)電解質(zhì)匹配的最佳負(fù)極。在低空經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域，對(duì)重量更是極度敏感，必須使用到純硅碳負(fù)極。

當(dāng)前氣相硅碳成本約15-25萬(wàn)元/噸，雖高于石墨，但已低于進(jìn)口Group14產(chǎn)品。未來(lái)隨著江西首條千噸級(jí)硅碳負(fù)極材料生產(chǎn)線，通過(guò)國(guó)產(chǎn)設(shè)備替代、硅烷原料本土化、連續(xù)流工藝優(yōu)化，成本有望降至10萬(wàn)元/噸以內(nèi)，推動(dòng)硅碳負(fù)極快速普及。

此外，隨著硅碳負(fù)極的國(guó)產(chǎn)化，有望推動(dòng)國(guó)內(nèi)CVD設(shè)備廠商，例如北方華創(chuàng)、沈陽(yáng)科儀開(kāi)發(fā)專(zhuān)用硅碳沉積設(shè)備，打破半導(dǎo)體CVD設(shè)備進(jìn)口依賴。同時(shí)可以盡快掌握氣相硅碳產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)話語(yǔ)權(quán)，避免在高端負(fù)極領(lǐng)域重蹈低端石墨產(chǎn)能過(guò)剩、高端產(chǎn)品依賴進(jìn)口的覆轍。

小結(jié)

該團(tuán)隊(duì)的技術(shù)突破使中國(guó)硅基負(fù)極產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)了從低端球磨時(shí)期到高端氣相時(shí)期的跨越，其意義不亞于當(dāng)年寧德時(shí)代在磷酸鐵鋰領(lǐng)域的突破。該技術(shù)在比容量、循環(huán)壽命和膨脹控制上已經(jīng)走到國(guó)際第一梯隊(duì)，打破了國(guó)外在高性能硅碳負(fù)極領(lǐng)域的技術(shù)壟斷；對(duì)消費(fèi)電子、動(dòng)力電池和儲(chǔ)能系統(tǒng)都意味著更高的能量密度和潛在更優(yōu)的全生命周期成本，屬于對(duì)下一代電池技術(shù)具有重要支撐作用的關(guān)鍵材料突破。