寧德時(shí)代硅碳材料新突破：納米團(tuán)簇網(wǎng)絡(luò)重塑電池負(fù)極未來(lái)
2025年9月18日，世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織（WIPO）公布了寧德時(shí)代一項(xiàng)名為“硅碳材料及其制備方法與二次電池及用電裝置”的國(guó)際專(zhuān)利申請(qǐng)。這標(biāo)志著這家全球電池巨頭在硅碳復(fù)合材料領(lǐng)域取得了最新突破。
硅基材料被譽(yù)為下一代高能量密度鋰電池的“圣杯”，其理論容量遠(yuǎn)超當(dāng)前廣泛使用的石墨類(lèi)負(fù)極材料。然而，硅在充放電過(guò)程中高達(dá)300%的體積變化，一直是制約其商業(yè)化應(yīng)用的世界性難題。
寧德時(shí)代此次公開(kāi)的專(zhuān)利技術(shù)，通過(guò)構(gòu)建獨(dú)特的碳化硅網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將納米硅團(tuán)簇限制在網(wǎng)絡(luò)空隙中，為這一難題提供了創(chuàng)新性的解決方案。
技術(shù)原理：納米世界的精密建筑工程
在電池材料領(lǐng)域，硅擁有高達(dá)4200mAh/g的理論比容量，是石墨（372mAh/g）的10倍以上。但硅在充放電過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷嚴(yán)重的體積膨脹收縮，導(dǎo)致電極材料粉化，電池容量迅速衰減。
寧德時(shí)代的專(zhuān)利技術(shù)核心在于設(shè)計(jì)了一種特殊的“三明治”結(jié)構(gòu)：包括內(nèi)芯和包覆層。內(nèi)芯由碳基體和位于其表面的硅基材料組成，而硅基材料則包含硅團(tuán)簇和碳化硅團(tuán)簇。
這種結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新之處在于，碳化硅團(tuán)簇形成了連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如同建筑中的鋼筋框架；而硅團(tuán)簇則被限制在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的空隙中運(yùn)作。當(dāng)硅在充放電過(guò)程中發(fā)生體積變化時(shí)，周?chē)奶蓟杈W(wǎng)絡(luò)能夠有效緩沖和約束其膨脹，就像彈性容器容納膨脹的氣體一樣。
專(zhuān)利中特別強(qiáng)調(diào)，硅團(tuán)簇中硅微晶的晶粒尺寸P≤5nm，最佳范圍控制在0.2nm至2nm之間。納米尺度的硅團(tuán)簇大幅減少了硅原子的長(zhǎng)程遷移，降低了晶態(tài)Li15Si4相的形成可能，從而減少了硅的記憶效應(yīng)。
制備工藝：脈沖沉積法的精密控制
寧德時(shí)代在此次專(zhuān)利中披露的制備方法同樣具有創(chuàng)新性。該公司采用脈沖沉積法在碳基體表面沉積硅基材料。
這一工藝的具體步驟包括：將碳基體材料制成碳膜；在碳膜兩端連接電極；將連接電極的碳膜置于反應(yīng)容器中，在電極上施加脈沖電流，同時(shí)通入硅源氣體與碳源氣體的混合氣體，在碳膜表面沉積硅基材料。
脈沖沉積法的優(yōu)勢(shì)在于能夠精確控制材料結(jié)構(gòu)和成分。通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖電流的周期（脈沖時(shí)間1ms-1s，靜置時(shí)間10ms-10s）、混合氣體流速（0.01L/min-0.5L/min）以及沉積溫度（≥450℃），可以實(shí)現(xiàn)對(duì)碳化硅網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和硅團(tuán)簇尺寸的精細(xì)調(diào)控。
專(zhuān)利數(shù)據(jù)顯示，最終制備的內(nèi)芯Dv50（體積中值粒徑）控制在2μm-20μm，最佳范圍為8μm-20μm。這種粒徑分布有利于電極漿料的涂布工藝，符合工業(yè)化生產(chǎn)的需求。
完成內(nèi)芯制備后，寧德時(shí)代還在其表面制備了包覆層，通常為碳包覆層。包覆層材料占總質(zhì)量的1%-20%，這一設(shè)計(jì)能減少循環(huán)過(guò)程中電解液對(duì)內(nèi)芯的侵蝕，提升碳化硅團(tuán)簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
材料配比：科學(xué)計(jì)算的完美配方
在材料成分方面，寧德時(shí)代的專(zhuān)利體現(xiàn)了精準(zhǔn)的科學(xué)計(jì)算。根據(jù)專(zhuān)利摘要，硅基材料中硅原子與碳原子的原子個(gè)數(shù)比控制在10：（0.1-10）。這一比例確保了碳化硅網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的充分形成，同時(shí)保證了材料具有足夠的硅含量以維持高容量。
以整個(gè)硅碳復(fù)合材料的質(zhì)量計(jì)算，硅元素的質(zhì)量百分比為5%-80%，碳元素的質(zhì)量百分比為20%-95%。這一寬范圍的比例設(shè)計(jì)使得寧德時(shí)代能夠根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求，靈活調(diào)整材料的性能特點(diǎn)。
例如，追求高容量的電動(dòng)汽車(chē)電池可能采用較高硅含量的配方，而注重循環(huán)穩(wěn)定性的儲(chǔ)能電池則可能選擇碳含量更高的方案。這種靈活性是傳統(tǒng)石墨材料難以實(shí)現(xiàn)的。
專(zhuān)利還透露，碳基體材料可選擇氧化石墨烯、石墨烯、氟化石墨烯、碳納米管、介孔碳或碳納米纖維中的至少一種。這些碳材料各具特色，如石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，介孔碳則擁有良好的離子傳輸通道，為不同應(yīng)用場(chǎng)景提供了多種選擇。
性能優(yōu)勢(shì)：突破硅基材料的瓶頸
寧德時(shí)代此次專(zhuān)利的硅碳復(fù)合材料在多個(gè)性能指標(biāo)上展現(xiàn)顯著優(yōu)勢(shì)。根據(jù)專(zhuān)利描述，這種材料能夠有效消除硅的記憶效應(yīng)，提高容量保持率。
記憶效應(yīng)是硅基材料面臨的一個(gè)重要挑戰(zhàn)，它會(huì)導(dǎo)致電池容量隨循環(huán)次數(shù)增加而持續(xù)下降，影響電池的使用壽命。
與傳統(tǒng)硅氧材料相比，硅-碳化硅復(fù)合體系還能提高首效（首次庫(kù)倫效率）和能量密度。首效是衡量電池性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，直接影響電池的實(shí)際可用容量。
在專(zhuān)利中，寧德時(shí)代還特別強(qiáng)調(diào)了該硅碳復(fù)合材料的膨脹性小，循環(huán)性能和快充性能好。這對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用尤為關(guān)鍵，快速充電能力是影響消費(fèi)者使用體驗(yàn)的重要因素。
此外，該材料還能滿足Q2/Q1≤0.7的性能指標(biāo)。這一指標(biāo)是通過(guò)扣式電池測(cè)試得出的：充電過(guò)程中電壓從0.2V至0.4V時(shí)的容量為Q1，從0.4V至0.6V時(shí)的容量為Q2。該比值反映了鋰離子在材料中的嵌入行為，比值越低意味著鋰離子的嵌入更加平穩(wěn)，有利于電池的循環(huán)穩(wěn)定性。
應(yīng)用前景：從電池極片到用電裝置的全鏈條覆蓋
寧德時(shí)代的專(zhuān)利不僅關(guān)注材料本身，還涵蓋了從材料到系統(tǒng)的全鏈條應(yīng)用。專(zhuān)利中提到了使用這種硅碳復(fù)合材料的負(fù)極極片，包括負(fù)極集流體以及設(shè)置在其表面上的負(fù)極活性材料層。
在負(fù)極極片設(shè)計(jì)中，硅碳復(fù)合材料的質(zhì)量百分比為1%-80%。其余部分可搭配人造石墨、天然石墨、硬碳、軟碳或中間相碳微球等碳基材料。這種設(shè)計(jì)靈活性使電池制造商可以根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景平衡能量密度、功率密度和循環(huán)壽命。
進(jìn)一步地，專(zhuān)利還保護(hù)了使用這種負(fù)極極片的二次電池以及包含這種二次電池的用電裝置。用電裝置涵蓋范圍廣泛，包括電動(dòng)汽車(chē)、電動(dòng)工具、儲(chǔ)能系統(tǒng)等。這體現(xiàn)了寧德時(shí)代對(duì)未來(lái)電池應(yīng)用場(chǎng)景的全面布局。
特別值得關(guān)注的是，專(zhuān)利中提到了一種結(jié)合三維網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)孔結(jié)構(gòu)的硅碳復(fù)合材料和特殊電解液的二次電池設(shè)計(jì)。電解液包含特定環(huán)狀碳酸酯化合物，與硅碳材料協(xié)同工作，進(jìn)一步抑制活性材料在充放電過(guò)程中的體積效應(yīng)，降低電池的直流阻抗和產(chǎn)氣量。
2025年上半年，寧德時(shí)代在研發(fā)方面投入了100.95億元，同比增長(zhǎng)17.48%。截至目前，公司已公布國(guó)際專(zhuān)利申請(qǐng)1149個(gè)，較去年同期增加27.1%。持續(xù)的創(chuàng)新投入鞏固了寧德時(shí)代在全球電池領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。
隨著這項(xiàng)硅碳復(fù)合材料技術(shù)逐步從專(zhuān)利走向產(chǎn)業(yè)化，下一代鋰電池的能量密度和循環(huán)壽命有望實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍。電池技術(shù)的進(jìn)步將推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程的提升和儲(chǔ)能系統(tǒng)成本的降低，為全球能源轉(zhuǎn)型注入新動(dòng)力。
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