气相沉积硅单颗粒到极片：压溃强度与辊压破裂的力学传递密码

引言

气相沉积硅（CVD/PECVD Si）作为锂离子电池负极材料的核心突破方向，其发展历程与基质选择紧密交织。基质不仅影响硅的沉积形貌和界面稳定性，更直接决定电池的循环寿命、能量密度及量产经济性。其中生物质基沉积硅和树脂基沉积硅作为硅基负极的两大技术路线，从成本结构、性能上限、产业化路径及可持续发展四个维度深刻影响着气相沉积硅行业的发展方向。本文结合生物质基沉积硅和树脂基沉积硅的本征结构差异，从单颗粒力学-辊压应力场-极片裂纹扩展的全链条视角，探索行业发展的新方向。

图1.气相硅工艺路线示意图

单颗粒力学性能的根源性差异

生物质基碳颗粒为天然多孔骨架（孔隙率60-80%），孔径分布不均（大孔-介孔-微孔共存）。力学行为评测中，低压力下孔隙闭合（弹性变形占优），高压力下孔壁断裂（塑性塌陷主导）。颗粒破碎时会产生次级碎片（50-200 nm），部分填充孔隙，但过量破碎（>30%）堵塞离子通道。树脂基碳颗粒属于刚性骨架的“脆性断裂”，结构为高交联致密结构（孔隙率<10%），表面光滑（粗糙度Ra <0.1 μm）。力学评测中线弹性阶段短，临界点后裂纹沿晶界快速扩展。破碎多生成尖锐碎片（20-50 nm），易刺穿粘结剂和隔膜，引发导电网络断裂甚至微短路风险。

当前硅基单颗粒层级的力学性能评测是行业广泛关注的热点，如图2为行业内研究者分别对生物质基、树脂基颗粒及气相沉积后的硅基颗粒进行的单颗粒力学性能评测结果示意图，从基质颗粒的评测结果上看，树脂基的抗压强度均大于生物质基，其对应碳基体同等硅沉积量的硅碳颗粒也呈现同样的力学趋势。通过单颗粒的力学评测可进一步在材料初始层级筛选高性能材料，以加速研发工作快速推进。

图2.生物质基&树脂基单颗粒力学性能评估对比及评估设备

辊压破裂行为的跨尺度传递机制

辊压工艺中破裂行为直接影响应力分布，应力分布的差异直接决定极片的结构完整性和电化学性能。生物基与树脂基气相沉积硅因自身结构差异，在辊压应力场中表现出截然不同的分布规律。本文从应力传递路径、应力分布、能量耗散方式等方面对比分析（如表1），评估辊压对极片性能的影响机制。生物基与树脂基气相沉积硅极片的辊压应力分布差异，本质上是“多孔缓冲”与“刚性约束”的材料基因表达。理解这种差异并针对性优化，可大幅提升极片良率与电池寿命。

表1.辊压应力场分布对比

极片辊压破裂模式与单颗粒力学性能直接关联，生物质基极片主导失效机制多为孔隙塌陷→导电网络断裂→局部极化加剧→容量衰减。树脂基极片主导失效机制多为脆性碎片刺穿粘结剂→导电网络断裂→“孤岛”硅颗粒失效。在已报道的研究工作中，分别对不同基底的气相沉积硅极片不同压力辊压后的状态进行对比发现，生物质基硅碳极片和树脂基硅碳极片经大压力辊压后均会出现裂纹，但相对生物质硅碳，树脂硅碳在更大压强下出现的裂纹相对偏少，如图3为树脂硅碳极片在不同压力辊压后的形貌结构示意图，这一结果与单颗粒层级力学评估相一致，进一步印证了极片辊压破裂与单颗粒力学性能的直接关联性。

图3.树脂硅碳极片在不同压力辊压后的形貌结构示意图

小结与展望

生物质基与树脂基气相沉积硅的辊压破裂差异，本质上是其单颗粒力学特性在宏观制造中的映射。通过精准调控颗粒破碎阈值、优化应力耗散路径及适配辊压工艺，可显著提升极片完整性与电池寿命。未来，随着智能材料与数字孪生技术的融合，硅基负极的制造将迈向“缺陷可预测、工艺自优化”的新阶段。生物质基与树脂基路线并非“非此即彼”，而是硅碳产业化不可或缺的双引擎。两者通过技术创新与市场协同，共同推动硅基负极从“可选方案”升级为“必选项”。未来，随着材料复合、绿色工艺与智能制造的深度融合，两条路线将打破边界，开启硅碳材料的全场景应用时代。

参考文献

[1] GB/T 43091-2023,粉末抗压强度测试方法[S].

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