锂电池中，负极材料在其充电过程中作为锂离子和电子的载体，承担了能量的储存与释放的功能，约占锂电池制造成本8%左右。目前市场上负极材料以石墨类为主流，但商业化石墨负极接近理论比容量上限372mAh/g，限制了其进一步应用。

能量密度与正负极体系

而硅负极具有最高的理论质量比容量（室温下3580mAh/g）和丰富的资源储备，并且能从各个方向提供锂离子嵌入和脱出的通道，嵌锂电位较高，快充性能优异，避免了锂负极难以克服的枝晶问题，兼具高安全性和高容量的特点，被认为有望成为下一代负极材料，在业内一时风头无二。

2019年，特斯拉在电池日活动上就介绍了特斯拉将开发硅负极材质电池

但由于单质硅的体积膨胀系数过大，因此科研及产业界尝试了多种方法，包括：硅氧化、纳米化、复合化、多孔化、合金化、预锂化，从根本上来说是都是通过改性来提升循环寿命及首次效率，其中硅氧化、纳米化的产业化技术较为成熟，也由此带来两条技术路径：硅氧负极、纳米硅碳负极。

一、成分对比

仅从名字也能看出，硅碳负极是指硅与碳材料混合，硅氧负极则采用氧化亚硅与碳材料复合。

①硅碳负极技术路线多用纳米硅，小粒径可以改善硅基材料在充放电过程中发生的体积变化，且纳米级硅材料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。

赢创的硅碳负极产品，官网介绍称这种硅碳粉末采用气相合成法制成，由上百个纳米级分离非烧结球形颗粒组成。

②硅氧负极技术路线多用氧化亚硅，相较于单质硅颗粒，氧化亚硅（SiO_x）在锂嵌入过程中发生的体积膨胀较小，因此相对纯硅负极，其循环稳定性有较为明显改善。

二、制备路线对比

在硅与不同材料的复合过程中，通常会结合结构设计（纳米化和多孔硅）等辅助工艺手段提供膨胀空间，硅基材料在复合材料中主要作为活性物质提供容量，其他材料作为载体，缓冲体积膨胀。此外，硅基负极材料会设计成包覆结构，最外层用碳包覆来充当导电网络，也可避免电解液直接接触硅基材料发生副反应。

①硅碳负极的技术迭代方向从产品的角度来讲，基本围绕着防止SEI膜形成、降低膨胀为主。在硅碳负极的制备过程中，需要首先制备纳米硅颗粒，最外层由碳做包覆层，形成壳核结构，也就是最终的成品硅碳负极。目前主流的生产工艺以研磨为主，硅碳负极的商业化容量在450mAh/g以下，首效高但体积膨胀较大，因此其循环性能相对较差。

硅碳结构

②碳氧负极是以氧化亚硅材料为核，这里的氧化亚硅一般是采用化学气相沉积法将2~10nm的硅颗粒均匀分布在SiO₂的基质中。其单体容量一般为1300～1700 mAh/g。制备过程并不唯一，通常是先制备锂离子电池用氧化亚硅，然后进行碳包覆等后续工艺。硅氧负极首效低，成本高，但由于硅材料颗粒更小、分散更加均匀且材料结构更加致密稳定，该材料膨胀较低，拥有非常好的长循环稳定性。

硅氧负极材料SEM图

总之，制备硅基负极的工艺选择因为制备前驱体的工艺而有所不同，但后端工艺大致相同，

均需经过表面处理，烧结等过程得到最终成品。

硅基负极制备一般流程

三、性能对比

性能方面的对比上面有稍微提到，具体的可看下方表格对比。

另外说明一下硅氧负极首效较低的原因，这是因为在不断的充放电中，硅负极表面会有SEI膜的持续生长，一直不可逆地消耗电池中有限的电解液和来自正极的锂，最终导致电池容量的迅速衰减。对于硅氧路线来讲，相较于纯Si还会发生嵌锂的现象。

至于硅碳的膨胀率高，则是因为硅材料的体积变化率为320%，而碳材料膨胀仅为12%，硅负极材料在脱嵌锂过程中反复膨胀收缩，致使负极材料粉化、脱落，并最终导致负极材料失去电接触而使电池彻底失效。而硅氧由于添加了氧原子，膨胀率下降至120%，循环性能比纳米硅要好。

四、产业化方向对比

目前，由于硅氧负极的循环性能和倍率性能更佳，很适合应用于动力电池领域，已率先在动力电池领域使用。如不久前的12月1日，先进电池材料企业NanoGraf Technologies就宣布获得一份来自美国国防部1000万美元的合同，将在美国本土开设首个高性能硅氧负极材料量产工厂，项目预计在2023年第一季度末或第二季度初完工，在2024年向电动汽车市场的供应从最高35吨/年提升至1000吨/年。

而硅碳负极的克容量较高，首效较高，主要应用于消费电子行业、动力能源等领域。在生产应用上，松下将10%的硅加入到传统石墨负极材料中，已经实现含硅碳负极材料的18650电池的量产，能量密度达到了550mAh/g以上，特斯拉已经将这种硅碳负极电池应用于其纯电动汽车中。

特斯拉Austin工厂开业仪式上所展示的4680电池组

当然凡事无绝对，比如说2021年3月，小米全球首发的11Pro和ullta版本手机就搭载了硅氧负极电池，电量达到5000mAh，同时支持67w的有线无线同功率的超级快充，这是硅氧负极首次用于消费类电子产品。

总结

以上就是对硅基材料的两种技术路线硅碳和硅氧的简单对比，当然两者的区别远不止于此，比如说复合的碳材料也是多种多样的。若想了解相关行业知识，欢迎关注即将在12月25-27日在广东珠海举办的“2022年全国新能源粉体材料暨增效辅材创新发展论坛”，将有数个相关报告出炉。

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