当全球动力电池行业竞逐千公里续航赛道，一场由材料革新引发的能源革命正在悄然上演。硅碳复合材料以高达3579mAh/g的理论比容量，正在突破传统石墨负极372mAh/g的物理极限。本文将从硅碳负极的技术研究和产业化等方面解锁固态电池这一“关键钥匙”。

伴随着经济社会的不断发展，传统的化石能源面临资源枯竭以及环境污染等多方面问题，因此寻找出可再生的清洁能源成为相关领域的研究重点。

锂离子电池作为一种重要的能量储存装置，具有比能量大、循环寿命长、安全性能好，工作条件范围广等优点。锂离子电池可分为液态电池和固态电池2大类。传统锂离子电池的液态电解质存在易燃、易漏液等安全隐患，而固态电池采用固态电解质替代液态成分，从根本上解决了热失控风险。相较于液态电池，固态电池的能量密度可提升至500 Wh/kg以上，循环寿命延长30%-50%，并能在-30℃至150℃的极端温度范围内稳定工作。 

固态电池技术突破的关键在于材料体系的革新，尤其是负极材料的性能优化。固态电池的负极需要满足高容量、低膨胀率、高导电性等多重需求，而传统石墨负极（理论容量仅372mAh/g）已接近性能极限。因此，在地壳中储量丰富，占比高达26.7%的硅（Si）成为负极材料的研究焦点。然而，硅负极材料在充放电过程中普遍存在容量衰减、体积膨胀等问题，限制了其在锂离子电池中的应用。为了解决这些问题，研究人员利用硅碳复合的方式来改善硅负极材料的性能。

主流的硅碳复合材料结构包括核壳结构、嵌入结构以及蛋黄蛋壳结构等。硅碳复合材料不仅有助于提高硅的导电性和结构稳定性，还可以限制硅负极材料的体积膨胀，进而提高锂离子电池的循环寿命和安全性。

ONE硅基负极材料面临的挑战

Si作为负极材料在循环过程中与Li之间形成合金，在这个过程中，Si-Si键变为Li-Si键，在去合金化过程中又重新回到Si-Si键，Si-Si键的键长远小于Li Si键的键长，因此在多次循环充放电过程中，不断发生两种键长的周期性变化， 从而使其体积膨胀、收缩现象循环往复。

由于体积膨胀而衍生出的缺陷有三点具体的表现形式：

1硅电极的破碎和粉化

由于硅在锂嵌入/脱出过程中有300%左右的体积膨胀/收缩，引起的较大的应力导致硅的开裂和粉碎，从而导致硅与集流体之间失去接触，导致容量下降。这种机制解释了使用较大的硅颗粒作为锂离子电池负极材料的研究中所观察到的急剧的容量衰减。

2电子运输途径的破坏

硅颗粒膨胀时相互撞击，同时在Li+释放过程中，硅颗粒收缩，因此部分硅颗粒从集流体上剥离、脱落，与附近的临近单元和导电网络失去接触，从而导致其电子离子传输途径被破坏。此外，整个硅负极的总体积也随着循环次数的增加而减小，这种剧烈的电极形貌变化会进一步导致容量衰退。

3不稳定的固体电解质界面（SEI）膜

SEI膜是在负极电位低于1 V时，在电极表面形成一层电解质的分解产物。SEI膜起到限制电极与电解质进一步反应的功能，因此需要具有一定的稳定性和致密性。SEI膜的稳定性是决定锂电池负极材料能够循环稳定的关键。在循环过程中Si的体积变化是影响SEI稳定性最重要的因素，膨胀时Si表面形成的SEI膜在收缩过程中碎裂，新的表面再次暴露在电解质中，形成新的SEI膜，新旧薄膜重叠，SEI膜变得更厚，更不稳定，导致Li+的不可逆损失增加，表现为不可逆容量的增加。此外，过厚的SEI薄膜阻碍了Li+的转移和扩散，导致负极在循环过程中严重极化，电化学性能下降。

 

TWO硅基负极材料的技术研究

硅颗粒纳米化

纳米级别的硅作为负极比大颗粒的硅作为负极更耐断裂。一般来说，在变形的过程中，较小的硅纳米颗粒在内部积蓄的应力不足以产生裂纹，即裂纹增长需要的应力大于纳米硅颗粒体积变化产生的应力。因此，对硅颗粒进行结构设计， 如纳米颗粒、纳米片和纳米多孔结构，被认为是一种缓解硅负极巨大体积膨胀的有效方法。当用作锂离子电池负极时，纳米尺寸的硅比大颗粒的硅获得了更长的循环寿命。研究表明Si纳米颗粒表现出比微米颗粒更好的性能，但仍然仅20次循环后就显示出严重的容量衰减（50 %），这是由于硅纳米结构具有较大的比表面积，扩大了电极和电解质界面的接触面积，导致初始库仑效率较低；此外，纯硅电导率低，不利于电化学反应的进行。

硅纳米颗粒作为负极最大的难度和挑战在于如何将其与集流体紧密连接，并保证在后续的循环过程中保持连接，不发生脱落的现象。因此，有许多研究人员开发连接Si纳米颗粒的新方法。将非晶硅沉积在集流体上，颗粒被这种无机胶粘合在一起，如图所示，这种方法解决了用传统浆料法制备的硅负极接触损失的问题。

硅碳复合材料

目前，研究人员已开发出了各种碳材料和Si的复合材料，碳材料具有良好的导电性，能够弥补硅独立作为电极活性物质时导电性不佳的缺陷；同时碳材料对硅进行包覆，有效缓解了硅膨胀的问题；在碳层上形成稳定而较薄的SEI膜，可以改善硅电极SEI膜破碎重组的情况。

硅碳复合材料电化学性能的提高不仅源于碳的优异性能，也与合理的结构设计和多组分之间的协同效应密切相关。目前主流的有核壳结构、蛋黄核壳结构、中空结构、硅石墨烯纳米片等。

1核壳结构硅碳复合材料

核壳结构是较为常见的硅碳复合负极材料的一种结构形式，最常规的方式是硅颗粒表面均匀包覆碳层，通过碳层来抑制体积效应并改善硅颗粒的分散性与导电性。实心核壳结构是硅碳复合核壳结构体系中最基础的一种复合类型。研究人员使用溶胶－凝胶法将硅颗粒表面均匀包裹碳层，制备出实心核壳结构的硅碳复合负极材料，经过电化学性能测试，复合材料相较于未经包覆改性处理的硅基负极材料展现出更加出色的循环稳定性。

核壳结构硅碳复合材料合成示意图

 

2蛋黄蛋壳结构硅碳复合材料

针对体积效应，研究人员提出一种基于实心核壳结构改进的蛋黄蛋壳结构。相较于传统的核壳结构，其优势在于碳层与硅之间留有缓冲空间，避免SEI膜的持续生长，进而提升循环使用寿命。

蛋黄结构硅碳复合材料合成示意图

 

3嵌入性结构硅碳复合材料

嵌入型结构的特点体现在硅颗粒的均匀性， 即硅颗粒均匀分布于碳骨架当中，碳骨架结构为内部硅颗粒提供缓冲层以及导电层，形成多相复合系统。创新点在于碳骨架均匀包覆（如沥青、葡萄糖碳源）抑制硅团聚与粉化，提升界面稳定性。 

嵌入式结构硅碳复合材料合成示意图

THREE硅碳负极产业化进程

市场需求加速增长

预计2025年全球硅基负极材料需求将达20万吨，其中动力电池渗透率将显著提升（圆柱和方形电池渗透率分别达到35%和20%），消费电池渗透率约50%。截至目前，包括特斯拉、比亚迪、蔚来、上汽智己、广汽埃安、奔驰、等众多车企都已经开始或即将搭载硅基负极动力电池。宁德时代、亿纬锂能、国轩高科等头部电池厂商也都已布局硅基负极动力电池产品。

技术突破推动产业化

工艺优化：化学气相沉积（CVD）法成为关键技术路径，通过多孔碳基体和核壳结构设计，将硅的体积膨胀率从300%降至120%以内，循环寿命突破800次。预锂化技术提升首次效率至90%以上，干法电极工艺降低生产成本20%。 

结构创新：纳米碳骨架技术（如Group14的硅碳负极材料）和石墨烯包覆技术进一步稳定硅颗粒，提升快充性能。 

产业链企业积极扩产

贝特瑞、杉杉股份、璞泰来等头部企业加速产能建设。例如： 

贝特瑞：现有硅碳负极产能5000吨/年，拟新建4万吨项目，预计2028年总产能达5万吨。 

杉杉股份：宁波4万吨硅基负极基地建设中，中试线已实现批量供货。 

璞泰来：推进1.2万吨CVD硅基负极项目，计划2025年首批投产。 

成本下降与国产化突破

硅烷气成本因国产化产能扩张降低30%-40%，国产流化床设备良率提升至85%以上，多孔碳材料工艺标准化进一步降本。预计当多孔碳成本降至15万元/吨时，硅碳负极售价有望低于20万元/吨，电池成本提升将更可控。

挑战与瓶颈 

技术瓶颈：硅碳负极体积膨胀率仍高于石墨负极（300% vs 10-12%），循环寿命（300-500次）与石墨（>3000次）差距显著，且CVD法工艺复杂，生产成本较高。 

应用限制：高膨胀率导致电极结构不稳定，需在硅颗粒纳米化与碳包覆技术上进一步突破。

 

来源：Internet

关键词： 固态电池 硅碳负极