硅炭复合材料的应用及前景分析
思瀚产业研究院 鑫森炭业    2025-12-29

锂离子电池是主要由正极材料、负极材料、隔膜和电解液四部分组成，负极材料主要分为碳材料与非碳材料两类，目前常用的负极材料为碳基石墨类负极。石墨的理论克容量为 372mAh/g，目前高端石墨达到 360-365mAh/g，且具有优异的循环性能，但难以有进一步提升。我国新能源汽车产业蓬勃发展，下游客户对快充性能、续航时间提出更高要求，解决上述问题除了增加电池尺寸，更重要的是提高电池的能量密度。

硅材料的常温理论克容量 3580mAh/g，高温理论克容量 4200mAh/g。与石墨相比，硅的理论克容量接近其十倍。同时，硅还具有环境友好、资源丰富等优点，因此成为倍受关注的高能量密度负极材料。尽管如此，硅负极材料存在体积膨胀率大、导电性差及成本高等挑战。

硅炭复合材料作为负极材料可以兼具碳材料与硅材料的优点。当前传统多孔碳以树脂法生产为主，整体成本较高，占总成本占比 40%以上，且生产设备单台 50 万元以上，对应 2 吨左右产能，单位投资较高。新 CVD 法硅炭负极售价低于预锂硅氧负极，且性能更好，膨胀性能、首效等全面领先，有望逐步替代传统硅炭负极及硅氧负极。

多孔碳为硅炭负极的碳骨架。多孔碳材料具备比表面积高、微观形貌可控、孔洞结构丰富、导电性良好、稳定性高等优点，高比表面积使多孔碳能结合更多锂离子，为锂离子电池提供高容量。多维复杂的孔洞结构为锂离子提供了有效快速的扩散通道，具备良好的电化学性能。多孔碳主流原材料有树脂法及生物质法两种。

目前两种路线中，生物质原材料为椰壳、竹子、稻壳、木屑、淀粉等，可再生；树脂原材料主要为酚醛树脂，生产工艺成熟、化学结构可控，孔隙的均一性和批次一致性更好，但由于原材料成本较高，普遍价格在 25-30 万元/吨；生物质路线由于原材料价格相对树脂原材料便宜，树脂基单吨成本显著高于生物基多孔炭。

多孔碳生产工艺核心为造孔工艺，主要通过水蒸气或碱活化造孔，即在高温惰性气体保护下，将活化剂与碳前驱体混合并发生造孔反应。一般需要利用高温（通常 800℃以上）先将碳前驱体碳化，然后再使用水蒸汽或者碱作为活化剂与碳前驱体反应，实现造孔反应。根据化学公式及实际生产情况，平均 1 吨硅炭负极材料需要 0.5 吨多孔炭与 0.6-0.7 吨硅烷原料。