中國粉體網(wǎng)訊 近年來，高性能負極材料成為目前鋰離子電池的研究熱點之一，硅基負極材料更是因其理論比容量遠超石墨負極，成為行業(yè)突破能量密度瓶頸的核心方向。2025年6月24-25日，由中國粉體網(wǎng)主辦的第二屆硅基負極材料技術(shù)與產(chǎn)業(yè)高峰論壇暨2025CVD硅碳負極材料前沿技術(shù)論壇在安徽合肥舉辦。
在此期間，中國粉體網(wǎng)采訪到了上海大學施利毅教授，就硅基負極材料產(chǎn)業(yè)化等一系列問題進行了探討交流。
中國粉體網(wǎng)：施教授，請您談一下目前硅基負極產(chǎn)業(yè)化面臨的難題有哪些？
施教授：目前硅基負極材料產(chǎn)業(yè)化面臨以下難題：（1）體積膨脹大：硅在嵌鋰/脫鋰過程中體積膨脹率高達300%，會導致硅材料顆粒粉化，使硅顆粒與導電劑之間電接觸變差，還會造成SEI膜不斷破裂與重生，大量消耗活性鋰和電解液，加速電池容量衰減與老化；（2）導電性差：硅顆粒的導電性比碳材料差，這會導致電子在電極中難以有效傳輸，造成極化偏大，影響電池的倍率性能，加速電池老化；（3）首效低：由于硅顆粒納米化后比表面較大，在化成過程中生成SEI膜會大量消耗活性鋰，首次放電時無法完全發(fā)揮充電時的容量，首效較低。另外，還包括勻漿易產(chǎn)氣、生產(chǎn)工藝批次一致性較差、放大難度大、成本較高等問題，這些都會影響硅基負極產(chǎn)業(yè)化。
中國粉體網(wǎng)：面對這些難題，您團隊有哪些研究成果可以做出有效應對嗎？
施教授：針對上述部分難題，我們團隊主要從硅基負極結(jié)構(gòu)設計和膠粘劑功能化等方面開展創(chuàng)新研究。主要包括：片狀結(jié)構(gòu)納米硅設計，這對提升硅基負極性能方面有一定幫助，主要體現(xiàn)在：（1）緩解體積膨脹，提升結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。片狀結(jié)構(gòu)的納米硅在嵌鋰過程中，體積膨脹主要沿片層厚度方向（二維膨脹），而非傳統(tǒng)顆粒的三維膨脹，可減少應力集中。片狀結(jié)構(gòu)堆疊時為體積膨脹提供緩沖空間，同時避免顆粒直接擠壓導致的電接觸失效；（2）改善導電性，優(yōu)化電子傳輸。片狀硅的大平面尺寸（微米級橫向尺寸）可與導電劑（如石墨烯、碳納米管）形成更緊密的面-面接觸，構(gòu)建連續(xù)的二維導電網(wǎng)絡，縮短電子傳輸路徑，有利于極化電阻降低。對優(yōu)化SEI膜穩(wěn)定性，提升首效、循環(huán)壽命與倍率性能等等體現(xiàn)出一定的優(yōu)勢。除了片狀結(jié)構(gòu)納米硅材料外，我們還開發(fā)多元雜化硅基負極材料、多功能硅基負極膠粘劑等新型材料，希望通過一系列技術(shù)創(chuàng)新，助力解決影響硅基材料實用化的難點和痛點。
中國粉體網(wǎng)：施教授，通過多元雜化體系設計，可以有效抑制充放電過程中硅體積膨脹，請您簡單介紹一下設計機理。
施教授：多元雜化硅基負極材料設計主要通過硅顆粒功能化、多維導電網(wǎng)絡構(gòu)筑、原位共價有機框架聚合物合成等來實現(xiàn)，在結(jié)構(gòu)設計、界面優(yōu)化及電化學性能調(diào)控基礎(chǔ)上，實現(xiàn)以下設計目標：（1）利用有機聚合物優(yōu)先鋰化膨脹特性可實現(xiàn)對硅體積膨脹調(diào)控，提升結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；（2）構(gòu)建高效導電網(wǎng)絡，改善導電性，鋰化有機聚合物具有高的離子、電子傳遞能力；（3）通過有機聚合物與極性粘結(jié)劑形成氫鍵網(wǎng)絡，有助于解決電極脫落問題；（4）有機聚合物結(jié)構(gòu)層可誘導鋰鹽分解形成穩(wěn)定的SEI膜，減少SEI膜反復破裂/重建�？傮w來說，通過“剛性限域+柔性適配”“導電通道+離子誘導”等機制，多層次優(yōu)化硅碳負極性能，尤其希望在抑制體積膨脹、穩(wěn)定SEI膜及提升倍率性能等方面展現(xiàn)特色和優(yōu)勢。
中國粉體網(wǎng)：施教授，與傳統(tǒng)硅負極相比，硅負極結(jié)構(gòu)的納米化為什么可以實現(xiàn)性能的長期穩(wěn)定性？
施教授：硅基材料納米化（如納米硅顆粒、納米線等）是改善硅基負極性能的重要技術(shù)路徑之一，與傳統(tǒng)硅基負極（如微米級硅顆粒）相比，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在緩解體積膨脹導致的結(jié)構(gòu)失效，柔性結(jié)構(gòu)適配，提升離子/電子傳輸效率，增大反應界面等方面，同時，納米硅可與碳納米管、石墨烯等復合形成網(wǎng)絡，減少界面阻抗。且納米級硅顆粒更易被碳層、聚合物等均勻包覆，形成穩(wěn)定SEI膜，避免微米硅因包覆不均導致的電解液滲透問題。但是，納米硅也存在比表面積增大引發(fā)副反應加劇，容易導致SEI膜持續(xù)生長，電解液消耗增加、納米硅分散較為困難等問題，且納米化技術(shù)成本相對較高、設備投資較大。需要在性能提升與產(chǎn)業(yè)化成本間尋找平衡點。
中國粉體網(wǎng)：施教授，最后請您預測一下硅基負極實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的時間。
施教授：2025年硅基負極材料已呈現(xiàn)出產(chǎn)業(yè)化加速的趨勢。一方面，隨著CVD法技術(shù)普及，以及其他新技術(shù)的發(fā)展，長期制約硅碳負極的膨脹率問題已取得一定進展，頭部廠商產(chǎn)能擴充計劃密集落地，預計2025年行業(yè)總產(chǎn)能將不斷增加。在消費電子端，硅基負極的市場滲透率逐步提高，在動力電池端也有多個示范項目陸續(xù)落地實施。從長期來看，隨著固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，硅基負極作為關(guān)鍵突破口，其重要性日益凸顯。根據(jù)宏觀分析以及多家企業(yè)的技術(shù)規(guī)劃，預計2027年固態(tài)電池進入汽車市場，2030年實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，這將進一步推動硅基負極材料在2030年左右實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。當然，這僅僅是一家之言，僅供參考。
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/初末）
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