中國粉體網訊 現階段化學氣相沉積法（CVD）硅基產品已普遍得到下游市場的正向反饋，而從近兩年硅基負極的擴產情況來看，絕大多數采用的都是CVD法。伴隨CVD硅基負極原材料價格的降低，硅碳負極路線有望普及，技術瓶頸有望突破，主流廠商產能將加速落地，2025年或將成為硅基負極放量元年。
硅基負極的發展
目前制備硅基負極材料的方法有化學氣相沉積法（CVD）、噴霧干燥法、鎂熱還原法、機械球磨法、溶膠-凝膠法等，雖然制備方法各有差異，但核心思想都是將硅納米化并與碳結合構建相應的復合結構。由于硅基負極的體積膨脹和導電率低的問題得到解決，硅基負極開始進入應用化。
圖片來源：鄧拓等.化學氣相沉積法制備硅碳負極的研究進展
第一代硅基負極技術路線
硅基負極技術路線主要經歷了三代，第一代技術路線是通過機械球磨法將硅的尺寸減少至納米級別來減小材料的體積膨脹，通過硅顆粒之間的空隙來緩沖材料的綜合體積膨脹。從理論上來講，如果能將硅納米顆粒研磨至20nm以下且不團聚，就能極大程度上地解決硅負極的體積膨脹問題。但事實證明這超越了工藝極限，機械球磨法作為第一代硅碳復合技術，球磨時難以球磨至20nm以下且不發生團聚，粒徑較大，容易引入雜質，電池容量衰減快，難以達到一些應用領域需求。
第二代硅基技術路線
為了提高電池容量和倍率性能，人們采取了一種折中方案，用硅氧替代硅碳，于是第二代技術路線得到發展。該路線采用純硅和二氧化硅合成一氧化硅形成前驅體，在嵌鋰脫鋰過程中，其中的SiOx與Li先發生反應，生成單質Si、Li2O及鋰硅酸鹽，單質Si進一步與Li發生反應形成LixSi合金，進而產生可逆容量。而生成的Li2O和鋰硅酸鹽在后續的電化學循環過程中不再參與反應。這種通過化學反應生成的單質硅粒徑達到了5nm以下，顆粒間空隙更豐富，同時，形成的Li2O和鋰硅酸鹽不參與后續反應，無膨脹，從而提供了更大的應力緩沖空間。因此SiOx相比第一代的納米硅材料，理論比容量較低，但在嵌鋰過程中的體積膨脹大大減小（~118%），其循環性能得到較大提升。
然而由于硅氧負極在充放電過程中會產生大量非活性物質，導致不可逆容量損失較大，首次庫倫效率較低（70%）。針對硅氧負極材料存在的首次庫倫效率偏低這一技術瓶頸，研究者通過引入預鋰化或預鎂化改性策略可將其首效提升至90%量級。
盡管預鋰化或預鎂化改性策略可顯著提升電池的首次庫倫效率，但普遍存在工藝復雜度高、金屬鋰源利用率低等問題，特別是在規模化生產中會導致額外15%-20%的原料成本增加，嚴重制約其大規模商業化應用。因此為了平衡性能和成本，迫切需要發展新的技術路線，如何以更低的成本獲得更好的性能成為硅基負極進一步發展的難題。
第三代硅基負極技術路線
然而就在硅基負極的進一步提升面臨瓶頸時，新一代CVD硅碳技術應運而生，該技術也被稱為第三代硅基負極技術路線。該路線的核心是以多孔碳骨架來儲硅，在多孔碳顆粒內部的孔隙通入硅烷氣體，通過高溫熱解使硅烷氣體分解成硅納米顆粒分散在多孔碳內部。
CVD法作為新一代硅碳復合技術，能實現分子尺度的控制，沉積制備的硅碳負極組分均勻，結構致密，對設備要求低，成本低，工藝簡單，粒徑控制均勻，并且容易通過結構設計來優化硅碳負極材料，所制備的硅碳負極通常首效較高（80%~90%），不需要額外的預鋰化處理，循環性能較好。
雖然目前第一代和第二代硅基負極材料已經實現了批量化應用，占據了大量市場份額，但是從性能、成本、穩定性和潛力來看，CVD硅碳都是三條技術路線中最具有優勢的方向。據報道，2023年硅基負極的市場滲透率接近3.4%，并且隨著硅基負極應用進入快車道，預計2025年硅基負極的滲透率達到20%~30%，產值將超200億元。
原材降價，下游放量，企業發力
上游：硅烷氣與多孔碳
在CVD硅基負極的制備過程中，上游的硅烷氣和多孔碳是不可或缺的關鍵原料。
硅烷氣體，也稱為硅碳或硅基氣體，是CVD硅負極制造中最重要的原料之一。運輸和儲存的純度、穩定性和安全性直接影響CVD硅負極的性能和生產成本。目前，工業上硅烷氣體主要通過金屬硅化物工藝、氫化物還原工藝和氯硅烷熱解等工藝生產。
硅烷氣體的選擇和純化對CVD硅負極的生產至關重要。高純度硅烷氣體可以保證CVD沉積的均勻性和密度，從而提高硅負極的電化學性能。此外，硅烷氣體的穩定性也是影響生產過程安全性和成本控制的關鍵因素。
隨著新能源市場的快速發展，硅烷氣體的需求持續增長，同時對其質量和穩定性提出了更高的要求。未來，隨著技術的進步和工業規模的擴大，硅烷氣體的生產成本將進一步降低，這為其在CVD硅負極行業的廣泛應用提供了有力的支持。
多孔碳是一種具有發達孔隙結構的碳材料，廣泛用于CVD硅陽極的制造。多孔碳的孔徑、比表面積和孔體積對CVD硅負極的結構和性能有重要影響。 在CVD工藝中，多孔碳作為襯底材料，是硅成核和生長的良好載體。其發達的孔結構有利于擴大硅負極的比表面積，從而提高電極的電化學活性。同時，多孔碳的導電性和熱穩定性直接關系到硅負極的整體性能。
生產多孔碳的方法多種多樣，如模板法、活化法等。近年來，研究人員一直在不斷研究新的制備方法，以提高多孔碳的性能并降低成本。例如，通過調整模板的孔徑和形貌，優化活化條件等手段，可以實現多孔碳的定向制備。這些研究為多孔碳在CVD硅負極領域的應用提供了有力的支持。
下游應用放量
2024年以來，多家主流手機廠商發布或升級采用硅碳負極技術的電池，并推動相關技術從旗艦機型向中低端機型滲透。
2024年2月，小米發布采用硅碳負極的金沙江電池，首發搭載于小米14Ultra，目前該電池為小米15系列標配，并應用于紅米部分機型；2024年5月，vivo正式發布了vivo S19與vivo S19 Pro兩款產品，vivo S19系列全系超薄藍海電池，采用第二代硅碳負極，首次突破行業最高809Wh/L能量密度，兼具超強放電能力；2024年6月，一加發布采用硅碳負極技術的冰川電池，并率先應用于一加Ace3Pro，目前已在OPPO部分機型使用；2024年7月，榮耀發布第三代青海湖電池，目前已搭載榮耀Magic V3、榮耀 Magic7等系列。
今年三月份，據供應鏈消息顯示，蘋果折疊屏手機也將搭載兩塊硅碳負極電池，電芯采用3D疊片技術，容量為5000mAh或以上。
在動力電池領域，2024年5月，智己汽車搭載半固態電池的新車L6上市，負極選用新一代高比能復合硅碳材料；特斯拉較早提出將硅碳負極引入4680大圓柱電池，2024年9月，其第1億顆4680電池正式下線，規模化生產和制造工藝優化方面均取得較大進展；2025年2月，寶馬對外展示第六代動力電池產品，首次使用大圓柱電芯，負極含硅量增加，目前已啟動大圓柱試生產，將于2026年在國內量產，在“新世代”平臺上車。
據行業相關人士分析，除新能源汽車、手機電池外，低空飛行器、人形機器人的新型應用場景對續航里程要求較高，且對電池成本敏感度較低，有望更快打開硅基負極新的增量市場。未來隨著半固態、固態等高能量密度電池的量產進程加速，硅基負極或將成為標配，市場需求將被大幅激活。
企業方面
說起CVD法制備硅基負極，就不得不提及美國硅負極材料商Group 14，2022年底以來，Group 14產品在國內幾家頭部電芯廠新測的數據“驚為天人”，其全電的內阻、循環、首效、克容量、膨脹率較硅氧和研磨硅相對來說取得了大范圍的提升，獲得了保時捷、ATL、光石、BASF、SK全球、微軟、美國碳中和基金的投資，成為新一代的“硅基之王”。
2024年6月，Group 14宣布與歐洲、亞洲和北美的三家頂尖電動汽車及兩家消費電子電池制造商簽署了五項長期供貨協議，累計最低銷售金額超3億美元；2024年7月，又被德國電池廠CustomCells鎖單，合同價值預計超3億美元；2024年9月，公司宣布與SK Inc.在韓國尚州的合資工廠開始出貨SCC55™硅碳復合材料，在商業化方面更進一步。
國內企業，目前，貝特瑞硅基負極材料研發一代、儲備一代、量產一代，現已開發至超高容量第六代產品。公司新一代硅基負極產品已于2024年成功導入國際頭部客戶供應鏈，實現了在國內外46系列大圓柱項目中的全面突破。另外，貝特瑞與國聯研究院聯合攻關的“高能量密度鋰離子電池用硅基負極材料的開發與產業化”項目，成功攻克了硅基負極材料界面不穩定、首次效率低、循環壽命短等關鍵技術難題。
杉杉股份新型硅碳材料已實現量產出貨，并在寧波硅基工廠后續規劃中加大產能設計，進一步提升供應能力。杉杉股份寧波4萬噸一體化硅基負極產能基地，一期產能已投產，且部分工序2024年12月已滿產。
璞泰來透露公司硅碳負極產品已經向市場小批量出貨，這些高性能的硅碳負極材料主要供應給下游的頭部消費電子客戶。璞泰來在安徽蕪湖投資建設的硅基負極項目正在加速推進，預計在2025年上半年，首批硅碳負極產能將建成并投入生產。
小結
硅烷氣的價格已從2025年年初的高位（超過20萬/噸），成功降至目前的10萬/噸以內，且未來仍有進一步降價的空間。并且，隨著圣泉、元力等主流企業300-500噸級量產線的陸續投產，多孔碳的供應將更加充足，多孔碳的價格也呈現出下行趨勢。隨著原材料的降低，利用硅烷在多孔碳上沉積的CVD法硅基負極在規模化制備和商業化應用方面將會提速。
參考來源：
鄧拓等.化學氣相沉積法制備硅碳負極的研究進展
成業等.化學氣相沉積法在鋰離子電池硅／碳負極中的應用
硅碳負極放量在即，產業鏈降本成關鍵.證券時報
負極材料“換代”？——CVD氣相沉積硅碳技術.粉體網
（中國粉體網編輯整理/蘇簡）
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