暢談硅碳負極產(chǎn)業(yè)化開發(fā)現(xiàn)狀及未來前景——專訪天津師范大學張波研究員

作為鋰離子電池關(guān)鍵材料之一，負極材料對鋰離子電池的最終性能起著至關(guān)重要的作用。隨著新能源汽車的發(fā)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(fā)正在如火如荼地進行，同時這也反映了未來負極材料產(chǎn)業(yè)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(shù)與產(chǎn)業(yè)高峰論壇在廣東東莞隆重召開，會議期間，我們邀請到了業(yè)內(nèi)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(wǎng)對天津師范大學張波研究員的專訪。

中國粉體網(wǎng)：張老師，據(jù)了解您是很早就開始從事硅碳負極材料的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)工作的，那么對于目前的國內(nèi)硅碳負極產(chǎn)業(yè)化開發(fā)的現(xiàn)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(fā)得很早，那么為什么開發(fā)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(fā)展的趨勢，而電池的高容量取決于高容量電極材料的開發(fā)。

硅碳負極包括硅氧碳和硅碳兩種，硅氧碳在十年前就已經(jīng)開始進行產(chǎn)業(yè)化開發(fā)了，最近兩年硅碳的開發(fā)才逐漸受到大家的重視。那么為什么要進行硅碳的開發(fā)呢？是因為硅氧碳本身的循環(huán)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(fā)的一個原因。

硅碳開發(fā)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(shù)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(fā)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(shù)的進步，它的市場需求也逐步地呈現(xiàn)一個爆發(fā)性的增長。

中國粉體網(wǎng)：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(xiàn)在比較火熱的一種技術(shù)，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(shù)挑戰(zhàn)，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(shù)難題。

硅烷沉積的技術(shù)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(chǎn)業(yè)化尤其是規(guī)模化生產(chǎn)的時候，需要面臨一些特種設(shè)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(shù)挑戰(zhàn)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(wǎng)：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(xiàn)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(chǔ)上還要結(jié)合其他的方法再進一步進行改進。

中國粉體網(wǎng)：您剛才提到砂磨法的限制，是否和砂磨機設(shè)備相關(guān)？

張研究員：設(shè)備是一方面，砂磨機廠家是很多的，我以前是在企業(yè)做一些產(chǎn)業(yè)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(shè)備是好實現(xiàn)目標的。但是，在實際工業(yè)化生產(chǎn)和實驗室中要解決的問題完全不一樣，工業(yè)化生產(chǎn)中要解決一些工程化的問題，比如說它的一些傳質(zhì)問題、傳熱問題和放大問題，所以設(shè)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(shè)備的問題，單純的靠設(shè)備去解決砂磨法的限制也是有一定局限性的。

中國粉體網(wǎng)：目前您團隊在硅碳負極產(chǎn)業(yè)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(fā)展趨勢，應(yīng)該說我們是在國內(nèi)做的比較早的硅碳產(chǎn)業(yè)化的開發(fā)，不是指的做基礎(chǔ)研究，而是產(chǎn)業(yè)化開發(fā)比較早。

我們當時對設(shè)備、工藝做了非常多的探索工作，做到現(xiàn)在，我們進行了很多的技術(shù)積累，解決了很多的技術(shù)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(yè)內(nèi)大家面臨的碳包覆問題。

在做到納米化以后碳包覆技術(shù)的挑戰(zhàn)性就會非常大，目前這個工作我們也在一直進行優(yōu)化。

下一步，首先做研發(fā)及產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化過程是沒有終點的，我們要把產(chǎn)品的性能持續(xù)提升。其次，產(chǎn)品的成本要繼續(xù)降低，做產(chǎn)業(yè)化開發(fā)和學術(shù)研究不一樣，一定要考慮性能和成本，不考慮成本，產(chǎn)品做得再好卻沒有市場客戶，是沒有意義的。

我們現(xiàn)在做的，一個是利用現(xiàn)有的研磨工藝結(jié)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(shù)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(shù)，在前些年為了取代日本的超級活性炭，我們做了一些產(chǎn)業(yè)化開發(fā)，所以我們可以調(diào)控碳的孔結(jié)構(gòu)，也可以控制它的成本。當然我們也有多年石墨負極的研發(fā)經(jīng)驗，依托這些優(yōu)勢，我們現(xiàn)在也在尋求硅烷廠家進行硅烷沉積工藝的開發(fā)。硅碳材料的這兩條工藝路線和目前的一些產(chǎn)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(jīng)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(yōu)勢，日韓在10年前也把天然石墨用在動力電池領(lǐng)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(shù)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(shù)路線和硅烷沉積的技術(shù)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(guān)系。

中國粉體網(wǎng)：張老師您在產(chǎn)學研合作以及成果轉(zhuǎn)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(yè)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(chǎn)業(yè)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(jīng)歷了很多困難，尤其是前幾年經(jīng)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(xiàn)已獲得了海外的投資，大約1600萬的投資；專利技術(shù)也實現(xiàn)了將近1000萬的技術(shù)轉(zhuǎn)讓；我們的廠房也已經(jīng)確定，目前正在進行產(chǎn)業(yè)化建設(shè)，一切都已步入正軌。

一個項目進行產(chǎn)業(yè)化，面臨的困難會非常多，但是我們已經(jīng)成功的邁出了第一步，而且基于我們近十年的技術(shù)積累，以及與資本方、公司運營團隊的強強聯(lián)合，我們有十足的信心將納米硅和硅碳材料的產(chǎn)業(yè)做大做強。

（中國粉體網(wǎng)采訪/平安、編輯/蘇簡；經(jīng)張研究員審閱）

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