北京
近年来，高性能负极材料成为目前锂离子电池的研究热点之一，硅基负极材料更是因其理论比容量远超石墨负极，成为行业突破电池能量密度瓶颈的核心方向。2025年6月24-25日，由中国粉体网主办的第二届硅基负极材料技术与产业高峰论坛暨2025CVD硅碳负极材料前沿技术论坛在安徽合肥举办。
在此期间，中国粉体网邀请到了中南大学的周向阳教授就硅基负极材料的制备技术、挑战和研究方向等一系列问题进行了探讨交流。
中国粉体网：周教授，在固态电池负极材料的选择上，硅基负极材料为什么可以脱颖而出？
周教授：固态电池是目前最有希望突破传统锂离子电池性能瓶颈的储能器件，它可以大幅突破传统锂电的能量密度瓶颈，同时，理论上还具有高安全与全场景使用的优点。由于目前可实际应用的正极材料的容量均存在天花板（如：层状结构钴酸锂理论比容量274，实际比容量135-140；尖晶石型锰酸锂理论比容量148，实际比容量100-130；橄榄石型铁锂理论比容量170，实际只可发挥出130-150；层状三元理论比容量278，目前实际可发挥的容量为150-200），为了发挥固态电池高能量密度的长项，采用高容量负极意义重大。在人们已经研究过的、通过嵌入、合金化或转换反应实现储锂的负极材料中，金属锂由于有3820mAh/g的高理论容量与3.7V的电位（钴酸锂为正极时）得到了广泛研究，但枝晶、死锂和体积膨胀等问题到现在为止没有从根本上解决，锂作为负极时的快速循环衰减和安全风险问题严重阻碍了其实际应用进程。在这个背景下，硅负极由于有4200mAh/g的高理论容量与0.4V左右的对锂电位，为固态突破容量瓶颈与解决安全问题提供了新的方案。
中国粉体网：周教授，硅基负极材料制备技术主要有哪些？您认为哪种制备技术能率先实现产业化？
周教授：尽管硅负极有上述的优点，但嵌/脱锂过程的体积效应以及本征电导率低（电导率为10-4数量级）依然是该材料实际使用中不可回避的问题，这些问题带来的主要后果是循环差以及难进行高倍率充放电。纳米化是解决硅负极问题的有效手段，为此，人们开发了砂磨法、去合金法、冶金还原法等技术来制备纳米硅与高电导组分弥散强化导电性能的微纳结构多孔硅；采用纳米硅与高电导炭复合也是解决硅负极问题的另一类有效措施，例如，近几年来大家都在开发的CVD法。在上述改善纳米硅性能的方法中，我认为CVD法最有可能成为固态电池硅负极的主流制备方法，但是这个方法依然存在一些问题，因为固态电池和液态电池对硅负极材料性能要求不一样，固态电池中的硅负极最重要的是要解决载流子的输运的问题，所谓载流子输运指的是离子和电子的传输，离子和电子的传输阻抗要进一步降下来，才有可能真正让固态电池发挥自己的优势，因此CVD法依然还要再进一步地改进。
中国粉体网：周教授，硅基负极应用于固态电池还面临哪些挑战？
周教授：硅基负极的挑战，第一个就是离子导电和电子导电的提升，第二个就是体积膨胀效应所带来的恶化循环性能、增大界面阻抗问题，因此未来还是要围绕如何降低载流子在界面与负极体相中输运阻抗和抑制负极体积膨胀方面开展研究；另外，降低硅负极制造成本，是加快固态电池产业化进程的关键。
中国粉体网：周教授，目前，您团队对于固态电池用硅基负极材料的研究方向是什么？进展情况如何？
周教授：我团队现在做的工作：第一个工作是围绕降成本。我们正在以太阳能光伏领域用的切割粉以及光伏行业报废硅片等廉价原料开发硅负极，这些硅原料大多是晶态，因为锂离子沿硅[110]晶面扩散能垒低于其他晶面，导致晶态硅具有明显的各向异性，这非常不利于倍率性能的提升。为此，我们做了很多研究，相关工作发表在最近的EES与AFM等高档杂志上，这些研究主要集中在造缺陷与降低其晶粒尺寸方面。
第二个工作构建全新结构的硅负极，希望可以解决载流子输运与体积膨胀问题。目前正在开展双导电新结构硅负极开发以及可获得高压实、高电导的全新CVD硅基负极技术研究。关于进展：第一个工作正在做放大验证试验，第二个工作还在实验室研究中。
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