中國粉體網訊 作為鋰離子電池關鍵材料之一，負極材料對鋰離子電池的最終性能起著至關重要的作用。隨著新能源汽車的發展，在動力鋰離子電池追求高能量密度和低成本的趨勢下，市場對負極材料性能提出了更高的要求。以硅基負極、金屬鋰負極、金屬氧化物負極等為代表的新型負極材料的研發正在如火如荼地進行，同時這也反映了未來負極材料產業化的新趨勢。2023年10月25日到26日，第二屆先進負極材料技術與產業高峰論壇在廣東東莞隆重召開，會議期間，我們邀請到了業內專家學者做客對話欄目，進行訪談交流。本期為您分享的是中國粉體網對天津師范大學張波研究員的專訪。
中國粉體網：張老師，據了解您是很早就開始從事硅碳負極材料的產業化開發工作的，那么對于目前的國內硅碳負極產業化開發的現狀您是如何評價？它未來的前景您是如何看待？
張研究員：硅碳負極是一種高容量的材料，開發得很早，那么為什么開發它呢？是因為無論對于3C類電池，還是動力電池來說，高容量是未來發展的趨勢，而電池的高容量取決于高容量電極材料的開發。
硅碳負極包括硅氧碳和硅碳兩種，硅氧碳在十年前就已經開始進行產業化開發了，最近兩年硅碳的開發才逐漸受到大家的重視。那么為什么要進行硅碳的開發呢？是因為硅氧碳本身的循環很好但是首效很低，需要進行預鋰化處理、氣相碳包覆等，所以它整體的成本比較高。如果我們采用純的硅和碳進復合，就不需要進行預鋰化處理，那么它的成本就會下降。并且硅氧碳在一些性能上，存在不能滿足要求的地方，所以這也是進行硅碳開發的一個原因。
硅碳開發面臨的問題主要是納米化，無論是砂磨法還是硅烷沉積都有很多的技術難題去解決。
對于未來的前景，硅碳負極的前景非常不錯，目前隨著中國動力電池的發展，這種高容量材料的市場份額肯定會越來越大，隨著硅碳技術的進步，它的市場需求也逐步地呈現一個爆發性的增長。
中國粉體網：硅碳負極材料的主要原料是硅粉和碳粉這兩種材料嗎？
張研究員：在這里不談硅氧，只談硅碳，硅碳負極的制備基本上是有兩種主流的路線。一種路線是用硅粉做成納米硅粉，和碳做復合，然后再摻混石墨。另外一種路線是硅烷沉積，也是現在比較火熱的一種技術，它與硅的納米化和碳包覆工藝路線不同，而是直接將硅烷沉積到多孔碳的孔隙中，通過氣相沉積法直接生成納米硅，然后再進行碳包覆。
這兩種路線，它們的原料是不一樣的。硅粉的納米化，成本相對來說是比較低的，目前面臨的技術挑戰，一是納米尺度要做得非常小，二是納米化以后要解決它的分散問題，并且碳包覆也是一個很大的技術難題。
硅烷沉積的技術難題相對來說更大，一個是硅烷本身是一種特種氣體，是一種高毒性、高爆炸性的氣體，所以在產業化尤其是規模化生產的時候，需要面臨一些特種設備選型的問題，包括安全性等問題。另一個難題是硅烷要沉積到多孔碳中，首先多孔碳的制備本身就具有很大的技術挑戰性，其次硅烷是一種價格比較高的材料，并且多孔碳的價格一般也比較高，兩種材料復合后降本空間就非常小，所以成本控制也是比較大的問題，這也是它面臨的一個主要問題。
中國粉體網：您剛才提到硅碳材料的原料之一是納米硅粉，它的制備方法常用的有哪些？
張研究員：現在用砂磨法比較多，但是純的砂磨法有一定的限制，能夠做到100nm以下，甚至50nm左右，再往下就很難降低了，所以納米硅粉的制備，在純的砂磨法基礎上還要結合其他的方法再進一步進行改進。
中國粉體網：您剛才提到砂磨法的限制，是否和砂磨機設備相關？
張研究員：設備是一方面，砂磨機廠家是很多的，我以前是在企業做一些產業化的工作，后來在學校實驗室做一些研究，在實驗室有一些設備是好實現目標的。但是，在實際工業化生產和實驗室中要解決的問題完全不一樣，工業化生產中要解決一些工程化的問題，比如說它的一些傳質問題、傳熱問題和放大問題，所以設備的確非常重要。首先要確定工藝，在工藝方向確定以后再去解決設備的問題，單純的靠設備去解決砂磨法的限制也是有一定局限性的。
中國粉體網：目前您團隊在硅碳負極產業化過程中面臨的最大的難題，需要攻克的難題是什么？
張研究員：我們做純的硅碳材料比較早，2014年就開始做，當時我判斷未來高容量化是一個發展趨勢，應該說我們是在國內做的比較早的硅碳產業化的開發，不是指的做基礎研究，而是產業化開發比較早。
我們當時對設備、工藝做了非常多的探索工作，做到現在，我們進行了很多的技術積累，解決了很多的技術難題：解決了一些工程化的放大問題；解決了目前納米硅的一個尺度問題，可以做到50nm米以下；解決了納米硅的分散性問題；也解決了行業內大家面臨的碳包覆問題。
在做到納米化以后碳包覆技術的挑戰性就會非常大，目前這個工作我們也在一直進行優化。
下一步，首先做研發及產品的產業化過程是沒有終點的，我們要把產品的性能持續提升。其次，產品的成本要繼續降低，做產業化開發和學術研究不一樣，一定要考慮性能和成本，不考慮成本，產品做得再好卻沒有市場客戶，是沒有意義的。
我們現在做的，一個是利用現有的研磨工藝結合一些改性方法把尺度進一步降低，在保持低成本的前提下，看看未來能不能達到和硅烷沉積同樣的水平，這是我們一直在努力的目標。
當然，單純依靠目前的技術進行硅納米化，再去做碳復合，很難做到10nm以下或5nm以下。對于硅烷沉積工藝，我們有多孔碳的技術，在前些年為了取代日本的超級活性炭，我們做了一些產業化開發，所以我們可以調控碳的孔結構，也可以控制它的成本。當然我們也有多年石墨負極的研發經驗，依托這些優勢，我們現在也在尋求硅烷廠家進行硅烷沉積工藝的開發。硅碳材料的這兩條工藝路線和目前的一些產品有些類似，比如天然石墨和人造石墨，在中國動力電池市場，天然石墨市場范圍一直在降級，劉洪波老師在報告中講到目前已經降到20%以下，甚至到了15%，人造石墨市場范圍越來越大。但是天然石墨不需要石墨化，所以它具有天然的低成本優勢，日韓在10年前也把天然石墨用在動力電池領域，天然石墨這種低成本的材料，其性能劣勢是可以通過技術手段解決的，所以，這種低成本的材料是有未來潛力的。
我覺得納米硅的技術路線和硅烷沉積的技術路線是兩個平行的路線，主要看未來誰的成本更低，誰的性能更好，所以它們是一個相互競爭的關系。
中國粉體網：張老師您在產學研合作以及成果轉化方面進展情況能給我們介紹一下嗎？
張研究員：因為我是從企業回到高校，所以我的目標是想把科研項目從實驗室最終做到產業化，從實驗室能夠走向市場，我們在將近十年里也是一直在做這個事情。
當然中間經歷了很多困難，尤其是前幾年經歷了疫情，所以非常困難。疫情之后，我們進展很快，納米硅項目、硅碳項目現已獲得了海外的投資，大約1600萬的投資；專利技術也實現了將近1000萬的技術轉讓；我們的廠房也已經確定，目前正在進行產業化建設，一切都已步入正軌。
一個項目進行產業化，面臨的困難會非常多，但是我們已經成功的邁出了第一步，而且基于我們近十年的技術積累，以及與資本方、公司運營團隊的強強聯合，我們有十足的信心將納米硅和硅碳材料的產業做大做強。
（中國粉體網采訪/平安、編輯/蘇簡；經張研究員審閱）
