杨瑞甫：锂离子电池负极材料的发展演变与未来趋势 | 钛资本新能源组

文 | 钛资本研究院

随着新能源产业高速发展，锂离子电池作为核心成员，不仅推动了产业进步，也深刻改变了生产与生活方式，在消费电子、动力及储能三大领域实现广泛应用，近年市场规模年均增量超20%，发展势头强劲。

锂离子电池主要由正极、负极、隔膜、电解质四部分构成。从2024年出货数据来看，正极材料出货量达320万吨，负极材料出货量超210万吨，且仍保持增长态势。在负极材料领域，石墨负极占据绝对主导地位，占比超95%，硅基、硅碳及其他复合负极材料占比不足5%。

锂离子电池负极材料如何发展演变？未来有哪些趋势？近期钛资本邀请博威新能源材料董事长杨瑞甫进行分享，他是北京理工大学机电工程学院博士，曾是中国人民解放军总装备部科研试验高级研究员，参与近30项科研与试验工作，多次获国防科技进步奖，是国家和省市重点新产品和火炬计划项目负责人，拥有专利60项，也是福建省高层次优秀人才（B类），教育部长江学者、杰出青年科学家评审专家，目前主持含氟新能源材料的研究开发，成功创建广东省金光高科有限公司，福建龙德新能源有限公司。主持人是钛资本董事总经理王闵威，长期关注前沿科技、夹层金融。以下为分享内容：

石墨负极的结构、特点与应用

石墨负极的高占比与其优越的结构特性密切相关。其具有六方六面体层状结构，同一层内碳原子通过共价键结合形成周期性堆叠的六边形，层间则依靠较弱的范德华引力连接，层间距为0.335纳米，这一间距恰好成为锂离子嵌入与脱出的天然通道。在锂离子电池工作过程中，负极材料中的锂与碳形成合金类化合物，且锂离子的嵌入与脱出具有可逆性，一次完整的嵌入--脱出过程即构成电池的一个充放电周期。

石墨负极还具备五大显著优势：一是比容量适中，理论比容量为372mAh/g，商业化产品比容量多在330-360mAh/g，可满足多数场景的能量密度需求；二是循环性能优异，层状结构使其在锂离子嵌入脱出时结构变化小、稳定性高，消费电子电池循环寿命超1000次，动力电池超3000次，储能电池更是可达10000次以上；三是高导电性与低电位，电子导电率高，无需额外添加导电剂，且锂离子嵌入时电位接近锂金属，能保障电池高电压与高容量；四是安全性良好，正常使用时锂离子嵌入脱出过程温和，不易产生金属锂枝晶，热稳定性高，安全事故发生率低（过充过放等极端情况除外）；五是制备工艺成熟且成本低，自1990年日本索尼推出商业化锂离子电池以来，近40年的技术迭代与规模扩大，推动工艺不断成熟，成本持续下降。

不过，石墨负极也存在明显局限性。其一，比容量天花板突出，商业化产品已接近372mAh/g的理论值，难以满足新能源汽车、高端储能等场景对高能量密度的需求；其二，快充性能受限，锂离子在石墨层间的扩散受动力学限制，大电流充电易导致负极表面形成锂枝晶，既存在安全隐患，又会缩短循环寿命；其三，低温适应性差，低温下电解液离子电导率降低，锂离子在石墨层间扩散阻抗增大，如在-30℃环境下，容量损失可能超30%，严重限制低温使用。

金属锂的合金类化合物

为突破石墨负极的局限，行业将目光投向了比容量更高的合金化材料，硅、磷、锡、铝等均是研究方向。这类材料与锂形成合金时比容量显著高于石墨，以硅为例，其理论比容量达4200mAh/g，是石墨的十倍以上。但这类材料普遍存在体积膨胀率高的问题，且硅的电导率较差，解决体积膨胀与电导率问题成为其商业化应用的核心技术瓶颈。

目前，硅基、磷基合金是负极材料的研究热点，硅基负极已历经四代技术迭代，每一代均通过材料设计与工艺优化，逐步改善体积膨胀、循环寿命、首次效率等关键问题。同时，硅在常温下性质稳定，便于操作，降低了工程化难度。预计到2030年前后，硅基负极的渗透率将达到30%，磷基等材料在高端领域的应用也将逐步扩大，未来有望推动锂离子电池性能实现新突破。

硅基负极材料四代技术发展概况

硅基负极材料作为锂离子电池领域提升能量密度的关键方向，其技术迭代围绕解决容量、循环寿命、成本三大核心矛盾持续迭代，已形成四代具有显著差异的技术体系，各代技术在结构设计、性能表现与应用场景上各有侧重，以下从技术原理、核心优势、主要缺陷及应用适配性展开详细阐述。

1、第一代硅基负极：研磨包覆型硅基材负极料

第一代硅基负极属于物理改性范畴，技术核心是通过机械球磨+碳包覆工艺制备微米级核壳结构材料。具体流程为：先将硅原料通过传统机械球磨工艺细化成微米级颗粒，再对微米硅颗粒进行碳包覆处理，最终形成类似“核桃壳”或“鸡蛋壳”的核壳结构——硅颗粒为“核”，碳层为“壳”。

从性能表现来看，该代技术的核心优势集中在工艺适配性与初步膨胀抑制上。一方面，工艺门槛极低，仅依赖成熟的机械球磨技术即可完成生产，无需引入复杂设备或新型工艺，能直接适配现有锂离子电池负极生产线，可与石墨材料直接混合使用，兼容性极强；另一方面，碳包覆形成的核壳结构能初步缓解硅在锂离子嵌入/脱出过程中的体积膨胀问题，将硅材料原本300%的体积膨胀率降至约150%，为硅基材料的初步应用奠定基础。

然而，第一代硅基负极的缺陷也较为突出，严重限制其大规模推广。其一，循环寿命短，由于机械球磨制备的硅颗粒粒径较大（微米级），且碳包覆层易在充放电循环中破裂，导致硅颗粒易团聚、破裂，通常循环200次后容量会出现显著衰减；其二，首次库伦效率（首效）低，机械包覆工艺难以实现碳层的均匀、完整包覆，且包覆层强度不足，在充放电过程中，负极材料与电解质形成的SEI膜会反复破裂与再生，消耗大量活性锂离子，首效仅能维持在70%-80%；其三，导电性差，硅本身属于半导体材料，电子传导效率低，需在材料中掺入较高比例的导电剂才能满足基本导电需求，进一步压缩了活性物质的容量占比。

2、第二代硅基负极：硅氧化合物复合体系

第二代硅基负极转向化学改性路径，以氧化亚硅（SiO）与碳复合为技术核心，通过硅氧键的形成优化材料性能。其技术原理是：利用氧化亚硅与碳进行复合反应，过程中氧原子与硅原子形成稳定的硅氧键，同时生成氧化锂、硅氧酸锂等物质。这些产物不仅能作为体积膨胀的缓冲介质，还能构建锂离子快速传输通道，同时抑制纳米硅颗粒的团聚，从化学层面改善硅基材料的固有缺陷。

相较于第一代，第二代技术的性能提升集中在循环稳定性与容量表现上。在体积膨胀控制方面，硅氧键的存在与缓冲物质的生成，使材料体积膨胀率进一步降至100%-120%；循环寿命随之大幅延长，可稳定循环500次以上，远超第一代的200次上限；比容量也显著提升，达到1500mAh/g以上，明显优于传统石墨负极（约372mAh/g）。此外，硅氧键能减少硅与电解液的直接接触，提升负极材料与电解质之间的界面稳定性，降低SEI膜的破损频率。

但第二代硅基负极仍存在未解决的关键问题。一是首效依旧偏低，由于氧元素的存在，材料在首次充放电过程中会生成氧化锂、硅氧酸锂等物质，这些物质会消耗部分活性锂离子，导致首效仍维持在70%-80%的水平，与商用需求存在差距；二是导电性仍需改善，硅氧化合物本身的电子传导效率未得到根本提升，仍需通过添加导电剂来优化电子传输效率，增加了材料制备成本与工艺复杂度；三是存在不可逆容量损失，反应生成的氧化锂、硅氧酸锂属于非活性物质，无法参与后续锂离子脱嵌循环，这类物质约消耗30%的锂离子，直接导致材料有效容量下降。

3、第三代硅基负极：预锂化补偿型体系

第三代硅基负极在第二代硅氧化合物技术基础上，引入物理预锂化技术，核心是通过主动补锂解决首次容量损失问题。其技术逻辑是：在硅氧化合物复合体系中，加入氮化锂、金属锂粉、磷化锂等预锂化试剂或构建补锂界面层，在电池首次循环前提前补充被消耗的锂离子，补偿因生成非活性物质导致的容量损失，从而突破第二代技术的性能瓶颈。

该代技术的核心优势体现在首效、循环寿命与能量密度的同步提升。首效得到显著改善，从第二代的70%-80%提升至90%以上，大幅降低了首次循环的容量损耗；循环寿命进一步延长，普通体系可接近1000次循环，适配车用电池（如特斯拉相关电池）时，循环寿命可达1000-1500次，满足动力电池的长寿命需求；能量密度表现优异，当与高镍三元正极搭配，并适配高电解液体系时，电池质量比能量可达到250-300Wh/kg，能有效提升终端产品（如电动汽车）的续航能力。

不过，第三代技术的缺陷主要集中在工艺复杂度与成本、安全风险上。一是工艺难度高，预锂化过程需精确控制锂元素的分布，需引入专用设备，设备投入规模显著增加；二是安全风险提升，部分体系采用金属锂粉作为补锂剂，而金属锂粉易与空气、水分发生反应，存在氧化燃烧风险，生产过程中必须全程使用惰性气体保护，增加了工艺管控难度；三是成本上升，预锂化试剂（如氮化锂、磷化锂）的添加与惰性气体保护工艺，使材料制备成本较前两代上升15%-20%，制约其在中低端产品中的应用。

4、第四代硅基负极：多孔碳骨架-纳米硅复合体系

第四代硅基负极属于结构创新型技术，核心是通过化学气相沉积（CVD）工艺构建三维导电网络，技术原理为：将硅烷气体通过热分解生成纳米硅颗粒，同步将其嵌入多孔碳骨架的空隙中，利用多孔碳骨架的结构稳定性限制纳米硅颗粒的体积膨胀，同时依托碳骨架的导电性构建连续的电子与离子传输通道。从技术迭代逻辑来看，该代技术从第一代的“物理包覆”、第二代的“化学改性”、第三代的“主动补锂”，升级为“结构创新”，更精准地平衡容量、循环、成本三大矛盾。

作为当前硅基负极的先进技术方向，第四代体系具备四大核心优势。其一，结构稳定性极强，多孔碳骨架可承受15MPa以上的压力，且骨架内部拥有丰富的微孔、介孔及连通空腔结构；硅烷热分解生成的纳米硅颗粒被限制在5-10纳米范围内，均匀分散于多孔碳的孔隙中，多孔碳的空腔结构能有效吸收硅嵌锂时的体积膨胀应力，将整体体积膨胀率控制在50%-100%，同时碳骨架能牢牢锚定纳米硅颗粒，防止其在循环过程中脱离电极，显著提升循环稳定性。

其二，电子与离子传输效率高，多孔碳骨架为SP²杂化结构，存在孤对电子，具备高导电性；其三维连通结构可构建连续的电子传输路径，从根本上解决硅的导电性缺陷；同时，多孔结构能增加电极与电解液的接触面积，缩短锂离子扩散距离，使材料在高倍率充放电下仍能保持高容量。其四，界面稳定性优异，多孔碳可通过一次碳包覆、二次碳包覆工艺，利用碳-硅化学键隔离硅与电解液的直接接触；此外，碳骨架表面可通过掺杂氮、磷等元素调控表面能，诱导形成富含氟化锂等无机成分的稳定SEI膜，降低循环过程中界面阻抗的增长速度，进一步提升循环寿命。

其五，应用场景适配性灵活，可通过优化硅的负载量（通常在30%-60%）与碳骨架的孔径分布满足不同需求：硅负载量50%-60%的材料侧重高容量，适用于高能量密度场景（如电动汽车动力电池）；硅负载量30%-40%的材料侧重循环稳定性，适用于储能电池等对寿命要求更高的场景。

与前三代技术相比，第四代硅基负极在理论比容量、体积膨胀率、首效、导电性、倍率性能、循环性能等关键指标上均实现全面超越，不仅解决了硅基材料的固有缺陷，还通过结构设计平衡了性能与成本，成为未来硅基负极规模化应用的核心方向之一。

第四代多孔碳骨架-纳米硅复合负极虽在能量密度、首效、循环寿命上实现突破，但仍存在四大待解问题，当前处于产业化前夜，未来将围绕性能、成本、场景三大核心方向迭代，有望在2030年前后成为锂电池负极主流选择。

在技术瓶颈方面，其一，产业链长且成本高。该材料产业链涵盖硅烷气制备、化学气相沉积（CVD）、硫化床加工、多孔碳制作等环节，相较于传统研磨包覆工艺，流程显著更长、工艺更复杂，直接推高制备成本；其二，体积能量密度受限。多孔碳骨架空隙率高导致材料真密度低，即便质量比容量表现优异，体积比能量仅比高容量石墨负极提升20%-30%，难以满足对体积要求严苛的场景；其三，长期循环结构稳定性不足。充放电过程中，硅颗粒反复膨胀收缩会逐渐破坏多孔碳骨架完整性，可能导致导电网络破裂，且高比表面积会增加界面膜（SEI膜）生成面积，长期循环下SEI膜持续增长，消耗电解液与活性锂，引发容量衰减；其四，电解液兼容性差。多孔碳结构扩大了电解液浸润面积，易使硅与碳界面发生过度副反应，需专用电解液抑制，进一步增加电池体系成本。

从应用现状来看，硅碳复合材料用于高性能锂电池已成为行业共识，但大规模产业化尚未到来，正处于“产业化前夜”，整体处于工程验证、产业链适配与装备完善阶段。目前产业链中，硅烷气、CVD硫化床等装备已实现产业化，而关键的多孔碳材料仍处于小批量工程验证阶段，未达成规模化生产，成为制约整体产业化推进的核心环节之一。

未来发展将聚焦性能提升、成本优化与场景拓展三大核心方向。性能提升上，材料结构设计层面，可通过精准构建分级多孔结构、创建动态自修复界面、采用多金属元素复合策略及碳材料协同作用，优化材料理化性质；界面工程层面，借助物理、电化学连接剂与导电剂协同，以及高分子材料原位包覆，减少界面阻抗、增强界面稳定性。成本优化方面，生产工艺上，可从当前CVD工艺50-100公斤/批的间歇性作业，升级为卧式窑炉连续化生产，降低能耗与成本、提升效率；原材料端，可用低成本生物质多孔碳替代树脂基多孔碳，或利用光伏废料生产硅烷气，同时推广干法电极工艺、构建闭环回收体系，进一步压缩成本。场景拓展上，高续航快充动力电池、固态电池配套需求，以及低空经济、人型机器人等新型经济领域的爆发，将为硅碳复合材料创造多元化应用空间。

总体而言，硅碳复合材料未来将呈现技术迭代加速、成本持续下降、应用场景多元化的趋势。短期看，消费电子与动力电池需求将主导其增长；中长期看，随着固态电池商业化与低空经济爆发，有望打开万亿级市场空间，预计2030年前后成为锂电池负极主流选择，引领全球新能源产业进入高能量密度与长寿命并行的新时代。

无负极电池技术

无负极电池技术是近年来锂离子电池领域涌现的创新方向，其核心技术特征与传统电池形成显著差异——不在负极集流体表面预制活性材料，而是让锂离子从正极脱出后，直接在负极集流体表面沉积、脱嵌。这种独特设计使其区别于传统石墨负极电池与锂金属电池，具备两大核心优势：一是能量密度更高，省去预制负极活性材料的空间与重量，为提升电池整体能量密度释放更多设计空间；二是成本更低，减少了负极活性材料的制备、加工与装配环节，简化生产流程的同时降低原材料与工艺成本，在动力电池、储能电池等对成本敏感的领域具有潜在应用价值。

然而，无负极电池目前面临严重的技术瓶颈，制约其规模化应用。最核心的问题是锂金属沉积行为失控与界面稳定性差：通电过程中，锂金属在集流体表面沉积不均匀，易形成锂枝晶——锂枝晶不仅会刺穿电池隔膜，引发正负极短路，大幅增加安全风险；还会导致电极表面的固体电解质界面膜（SEI膜）反复破裂与重组。SEI膜的不稳定会持续消耗电解液与活性锂离子，使电池首次库伦效率及循环效率显著降低，最终造成电性能快速恶化，如容量衰减加速、循环寿命缩短、倍率性能下降等，成为无负极电池走向实用化的关键障碍。

针对上述问题，行业当前主要围绕四大方向开展技术攻关：一是集流体改性，通过调整集流体的表面形貌、成分或结构，引导锂金属均匀沉积，抑制锂枝晶生长；二是电解液优化，研发专用电解液配方（如添加新型锂盐、溶剂或添加剂），改善锂离子传输效率，同时促进形成稳定的SEI膜；三是人工SEI膜构建，通过物理或化学方法在集流体表面预先制备一层均匀、致密的人工界面膜，替代不稳定的自然形成SEI膜，提升界面稳定性；四是补锂技术引入，通过在电池体系中加入补锂剂，补偿循环过程中活性锂的消耗，缓解容量衰减。

在众多研发方向中，3D多孔技术被视为未来可能产生重大突破的领域，具体包括3D多孔金属负极与复合金属负极。这类技术的核心优势在于“一体两用”——多孔结构的材料既承担集流体的功能，又能为锂金属沉积提供充足空间，通过物理限制作用抑制锂枝晶生长，同时缓解锂沉积/脱嵌过程中的体积变化，兼顾安全性与循环稳定性，被认为是无负极电池技术中最具前景的发展路径之一。

张家港博威公司的技术背景与多孔碳领域布局

张家港博威公司在核心产品——多孔碳的研发上，已完成两代技术迭代，形成差异化竞争优势。第一代产品为无定形块体多孔碳，技术路线与国内多数同行一致，主要满足基础应用场景需求；第二代产品是公司当前的核心创新成果——高球形度多孔碳微球，通过技术突破实现两大关键指标可控：一是粒径可控，可根据客户需求调整微球尺寸；二是孔径可控，能适配不同电池体系对锂离子传输通道、体积膨胀缓冲空间的需求，可为不同应用场景（如动力电池、储能电池）、不同客户提供定制化解决方案，目前已具备小批量工程验证能力，为后续规模化生产与市场推广奠定基础。

问答

Q1：未来这些下游的市场对负极材料的需求结构会发生怎么样的变化？这样的变化，会给负极材料企业带来哪些机会跟挑战？

A：硅碳负极材料正站在产业爆发的前夜，有望接替石墨成为下一代主流负极，并衍生出多条百亿级赛道。按现有石墨负极市场推算，到2030年仅硅碳负极即可形成千亿级空间，远超六氟磷酸锂等锂电材料的200–300亿规模。博威的多孔碳技术除用于动力电池外，还可切入固态电池、超级电容器、兆瓦级快充等场景，每个细分都是百亿级需求。当前行业尚处产业化初期，技术领先者一旦叠加资本加速，将率先占据头部位置，享受巨大红利。

Q2：像宁德时代本身也在做负极材料的研发跟生产，您跟他们未来会处于什么样的关系？是竞争，还是成为他们的一个供应商？

A：博威把自身定位为“协作型供应商”，以技术代差切入硅碳负极赛道。传统负极龙头（如贝特瑞）长期深耕石墨体系，切入碳材料相当于从零起步；而博威依托十余年多孔碳研发经验，已形成两代产品，在粒径与孔径控制上领先对手一至两年。公司正与国内多家负极材料等头部企业洽谈验证样品，计划以“供应+技术共创”模式合作：博威提供高性能多孔碳与工艺包，对方完成硅碳复合材料的工艺研究与量产放大，实现优势互补。通过这种“先发技术+龙头渠道”的协同关系，博威既能快速锁定下游订单，又能让传统巨头在窗口期内完成技术升级，形成稳固的供需共同体，共同抢占即将爆发的硅碳负极市场。