硅氧和硅碳工艺路线特点介绍

硅基负极作为下一代新能源车动力电池能量密度提升的关键材料，一直是研发和关注的焦点。由于硅材料容易膨胀，巨大的体积变化会引起硅颗粒的破碎分化，从而影响电池的首效和寿命。为了缓解膨胀，商业化应用时大多会选择将石墨材料和硅材料复合。硅材料分为纳米硅和氧化亚硅，对应硅基负极两条路线：硅碳负极和硅氧负极。

硅碳负极

硅碳负极采用纳米硅和石墨材料混合，通过降低硅基材料粒径至纳米级别，可以拥有较小的颗粒尺寸和更多的空隙，更容易缓冲硅在脱嵌锂离子过程中产生的应力和形变。此外，纳米颗粒可以缩短锂离子扩散距离，增加硅材料储锂能力。

硅碳负极制备流程（中金公司）

硅碳负极生产工艺核心难点在于纳米硅粉的制备。研究发现，单个硅纳米粒子的锂化，发现存在一个约150nm的临界粒径，低于该临界粒径时，颗粒在第一次锂化时不会破裂，所以降低硅材料粒径是减少粉化的有效途径。

常见的纳米硅的生产工艺有镁热还原法、硅烷热解法、放电等离子法和机械研磨法。国内纳米硅粉的制备主要以机械研磨法为主，美国、日本等国家的企业对纳米硅粉的研究起步较早，日本帝人，美国杜邦等企业均可以用等离子蒸发冷凝法进行纳米硅粉的制备，目前国内等离子体法进展较快的企业为博迁新材，目前已经处于中试阶段。

硅氧负极

硅氧负极采用氧化亚硅（SiOx）和石墨材料混合，相比于硅材料，氧化亚硅材料在嵌锂过程中的体积膨胀大大减小，因此循环性能也得到了极大的提升。

硅氧负极制备流程（中金公司）

硅氧负极的核心是制备SiOx。大部分的企业是将纯硅和SiO₂合成SiOx，形成硅氧负极前驱体，然后经粉碎、分级、表面处理、烧结、筛分、除磁等工序制备而成。

哪个更有前途？

目前商业化硅碳负极容量在450mAh/g以下，一般用于消费电池。但硅碳负极的体积膨胀严重，导致循环性能较差，一般在500-600周，达不到国际规定动力电池循环1000周的标准。一般从２个方面对其进行材料改性：一方面是对硅单质体系的改性，如使用纳米硅和硅薄膜等；另一方面是对碳／硅基复合材料的结构改性，如核－壳结构、多孔结构等。

目前商业化硅氧负极应用容量主要在450-500mAh/g，既可用于消费也可用于动力。但SiOx材料目前主要存在两个问题：首次库仑效率低和循环性能的衰减。前者目前较为实际的解决办法主要是通过向添加少量的Li源，在充电的过程中利用这部分额外的Li补充首次充电过程中不可逆的Li消耗，以达到提升锂离子电池首次效率的目的；后者主要是通过碳包覆与SiOx纳米化来缓冲体积膨胀，提升循环稳定性。

综合来看，两个材料都很有前途。就目前而言，硅氧负极比容量高，作为电池性能比较适中；但随着硅碳负极的研究深入，如果其循环寿命能达到1000圈，加上首效强的优点，也会很有前景。