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1. 前言

氣相沉積硅碳負極，也叫氣相硅負極，是通過化學氣相沉積（CVD）的方式制備得到的硅基負極材料，這種制備方法的核心是通過多孔碳骨架來儲硅，向多孔碳顆粒的孔隙里通入硅烷氣體，通過高溫熱解使氣體沉積形成硅納米顆粒分散在多孔碳的孔隙里，該方法能對制備的納米材料實現分子尺度的控制，產品形貌較好，同時沉積產生的硅碳材料組分均勻，結構較為致密，通過多孔碳內部的空隙來緩沖體積膨脹，因此膨脹率低，循環性能優異。

現今業界提到的氣相沉積硅碳負極通常是指來源于美國公司Group14的技術路線，2021年4月，美國公司Group14宣布，其旗艦產品——硅碳復合負極材料SCC55?（碳硅比例55:45）已在全球首家同類BAM工廠（電池活性材料工廠）開始商業化生產。SCC55?是一種穩定的硅碳復合負極，其容量是石墨負極材料的五倍，并且可以提供比傳統石墨高50%的能量密度。其獨特的硬碳基支架使硅保持最理想的形式：無定形、納米尺寸和碳包裹。并且SCC55?與石墨完全兼容，即使在20%的混合下，SCC55?也能在1000次循環內將能量密度提高30%。

這種新型硅碳材料其中的碳骨架不僅制作成本低，本身也具備不錯的儲鋰能力，加之碳骨架本身密度小質量輕，使得材料能量密度高。并且，CVD氣相沉積硅所需生產流程短，設備少，理論成本低。從性能測試結果看，CVD法多孔硅碳克容量、首效、循環次數、倍率等多個維度性能表現優異，并且在生產方面，多孔硅碳硅基負極可減少預鋰、預鎂，相比于硅氧路線具有大幅降本的潛力。因此，無論是從目前已經實現的性能、成本和產品穩定性來看，還是從技術路線的未來潛力來評判，氣相沉積硅碳都被認為是三條技術路線中最具優勢的方向。

在此背景下，下游電池企業以及車企，對理論上有大幅降本空間且兼顧性能優勢的多孔硅碳技術路線表現出了濃厚興趣。在電芯廠客戶的要求下，國內已經積累多年的硅氧材料大廠和研磨法硅碳頭部企業紛紛轉型布局氣相沉積硅碳技術路線，一些消息比較靈敏的硅基負極創業公司也紛紛開始轉型，進行氣相沉積硅碳的開發。

在氣相沉積硅碳負極中，多孔碳的性質直接決定了產品性質。多孔碳材料是具有不同孔結構的碳材料，具有高化學穩定性、高導電性、高比表面積和豐富可調的多孔結構，在能源存儲、轉換、催化、吸附分離等領域展現出巨大的應用前景。在硅碳負極領域的應用催化了多孔炭產業的發展。碳骨架的好壞直接決定產品的量產能力，不同多孔碳需要和不同的石墨作為匹配，才能在電芯端表現出良好的性能。不同場景下的碳骨架孔徑、孔容、孔隙率要求均不一樣，性能差異極大，需要專業評測技術配合才能完成開發。 

2. 測試設備

圖1為元能科技自主研發的粉末電阻率&壓實密度儀（PRCD3100，IEST），該設備可以在對粉末樣品施加不同壓力（最高可達5T）的同時，同步采集粉末樣品的電阻率、電導率、壓實密度等參數，協助科研人員研究不同壓力對粉末樣品電性能與力學性能的影響。

圖1.粉末電阻率&壓實密度儀（PRCD3100，IEST）的示意圖以及力學性能測試的不同模式

圖2為元能科技自主研發的極片電阻儀（BER2500，IEST），電極試樣直徑14mm，可施加壓強范圍5~60MPa。可同步采集極片的電阻、電阻率、電導率、壓實密度等參數，設備外觀及結構如圖2所示。

圖2.極片電阻儀BER2500外觀及結構圖

3. 數據分析

本文主要從粉末層級對比了氣相沉積硅碳（PSC）、研磨法硅碳（SiC）和常規人造石墨（GR）壓實密度和反彈特性。同時將同種氣相硅粉末制備成容量450mAh/g、550mAh/g的硅碳材料，采用相同的工藝配方將硅碳材料和石墨材料制備成極片，研究其極片的力學性能與石墨極片的差異。

圖3.三種粉末樣品的加壓壓實密度曲線

首先對氣相硅碳粉末（PSC）、研磨法硅碳粉末（SiC）、和人造石墨粉末（GR）進行了10-350MPa的加壓壓實密度的測試，結果如圖3所示，在相同壓力下，石墨材料的壓實密度明顯高于兩種硅基材料，而硅基材料的對比中氣相硅碳粉末的壓實密度高于研磨法制備的硅碳，這主要是由于兩種材料的微觀結構不同。

圖4.三種粉末樣品的厚度反彈曲線

對于粉末的壓縮性能，行業內主要關注其受壓后的反彈特性，相同的壓力或壓實密度下，更小的厚度反彈決定了材料可以提供更高的體積能量密度和一次輥壓的成型能力。如圖4所示，石墨材料的厚度反彈能力明顯高于硅基材料，而兩種硅基材料中，氣相硅碳粉末比研磨硅碳粉末具備更小的反彈特性。

綜合分析氣相沉積硅碳（PSC）、研磨法硅碳（SiC）和常規人造石墨（GR）粉末的力學性能，石墨材料具有更高的壓實密度和更大的厚度反彈特性。兩種硅基材料中，氣相硅碳粉末具有更高的壓實密度和更小的厚度反彈能力，分析其與微觀結構的關聯，氣相硅碳材料以多孔碳為骨架沉積硅材料，材料受壓過程中，多孔碳的孔隙更易被壓縮且不易在卸壓后反彈，因此微觀結構決定了其可以提供更高的壓實密度和更小的厚度反彈。

圖5.極片的厚度反彈曲線

圖5為石墨材料、450mAh/g（PSC-450）、550mAh/g（PSC-550）的氣相硅碳材料極片的厚度反彈曲線。與粉末結果相似，相同壓力下石墨極片的厚度反彈明顯高于氣相硅碳材料，而PSC-450和PSC-550中，PSC-450的厚度反彈大于PSC-550，這是由于其在混合過程中加入了更多的石墨材料。

4. 總結

氣相沉積硅碳、研磨法硅碳和常規人造石墨中，石墨材料具有更高的壓實密度和更大的厚度反彈特性。兩種硅基材料中，氣相硅碳粉末具有更高的壓實密度和更小的厚度反彈能力。這主要是由于作為氣相硅碳的骨架，多孔碳的孔隙更易被壓縮且不易在卸壓后反彈，使氣相硅碳材料具有更高的壓實密度和更小的厚度反彈。極片的反彈性能與粉末相似，可以側面證明粉末結果的可靠性和與極片的關聯性。因此，相關的實驗結果也為氣相硅碳材料的研發提供了有效提升壓實密度的新思路，同時也為相關材料企業研究氣相硅碳材料的力學性能提供了可靠的驗證方法。