寧德時代硅碳材料新突破：納米團簇網(wǎng)絡重塑電池負極未來
2025年9月18日，世界知識產(chǎn)權組織（WIPO）公布了寧德時代一項名為“硅碳材料及其制備方法與二次電池及用電裝置”的國際專利申請。這標志著這家全球電池巨頭在硅碳復合材料領域取得了最新突破。
硅基材料被譽為下一代高能量密度鋰電池的“圣杯”，其理論容量遠超當前廣泛使用的石墨類負極材料。然而，硅在充放電過程中高達300%的體積變化，一直是制約其商業(yè)化應用的世界性難題。
寧德時代此次公開的專利技術，通過構建獨特的碳化硅網(wǎng)絡結構，將納米硅團簇限制在網(wǎng)絡空隙中，為這一難題提供了創(chuàng)新性的解決方案。
技術原理：納米世界的精密建筑工程
在電池材料領域，硅擁有高達4200mAh/g的理論比容量，是石墨（372mAh/g）的10倍以上。但硅在充放電過程中會經(jīng)歷嚴重的體積膨脹收縮，導致電極材料粉化，電池容量迅速衰減。
寧德時代的專利技術核心在于設計了一種特殊的“三明治”結構：包括內芯和包覆層。內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簇和碳化硅團簇。
這種結構的創(chuàng)新之處在于，碳化硅團簇形成了連續(xù)的網(wǎng)絡結構，如同建筑中的鋼筋框架；而硅團簇則被限制在這個網(wǎng)絡結構的空隙中運作。當硅在充放電過程中發(fā)生體積變化時，周圍的碳化硅網(wǎng)絡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。
專利中特別強調，硅團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。納米尺度的硅團簇大幅減少了硅原子的長程遷移，降低了晶態(tài)Li15Si4相的形成可能，從而減少了硅的記憶效應。
制備工藝：脈沖沉積法的精密控制
寧德時代在此次專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容器中，在電極上施加脈沖電流，同時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)勢在于能夠精確控制材料結構和成分。通過調節(jié)脈沖電流的周期（脈沖時間1ms-1s，靜置時間10ms-10s）、混合氣體流速（0.01L/min-0.5L/min）以及沉積溫度（≥450℃），可以實現(xiàn)對碳化硅網(wǎng)絡結構和硅團簇尺寸的精細調控。
專利數(shù)據(jù)顯示，最終制備的內芯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。
完成內芯制備后，寧德時代還在其表面制備了包覆層，通常為碳包覆層。包覆層材料占總質量的1%-20%，這一設計能減少循環(huán)過程中電解液對內芯的侵蝕，提升碳化硅團簇網(wǎng)絡結構的穩(wěn)定性。
材料配比：科學計算的完美配方
在材料成分方面，寧德時代的專利體現(xiàn)了精準的科學計算。根據(jù)專利摘要，硅基材料中硅原子與碳原子的原子個數(shù)比控制在10：（0.1-10）。這一比例確保了碳化硅網(wǎng)絡結構的充分形成，同時保證了材料具有足夠的硅含量以維持高容量。
以整個硅碳復合材料的質量計算，硅元素的質量百分比為5%-80%，碳元素的質量百分比為20%-95%。這一寬范圍的比例設計使得寧德時代能夠根據(jù)不同應用場景的需求，靈活調整材料的性能特點。
例如，追求高容量的電動汽車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)石墨材料難以實現(xiàn)的。
專利還透露，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)異的導電性，介孔碳則擁有良好的離子傳輸通道，為不同應用場景提供了多種選擇。
性能優(yōu)勢：突破硅基材料的瓶頸
寧德時代此次專利的硅碳復合材料在多個性能指標上展現(xiàn)顯著優(yōu)勢。根據(jù)專利描述，這種材料能夠有效消除硅的記憶效應，提高容量保持率。
記憶效應是硅基材料面臨的一個重要挑戰(zhàn)，它會導致電池容量隨循環(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-碳化硅復合體系還能提高首效（首次庫倫效率）和能量密度。首效是衡量電池性能的關鍵指標之一，直接影響電池的實際可用容量。
在專利中，寧德時代還特別強調了該硅碳復合材料的膨脹性小，循環(huán)性能和快充性能好。這對于電動汽車應用尤為關鍵，快速充電能力是影響消費者使用體驗的重要因素。
此外，該材料還能滿足Q2/Q1≤0.7的性能指標。這一指標是通過扣式電池測試得出的：充電過程中電壓從0.2V至0.4V時的容量為Q1，從0.4V至0.6V時的容量為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。
應用前景：從電池極片到用電裝置的全鏈條覆蓋
寧德時代的專利不僅關注材料本身，還涵蓋了從材料到系統(tǒng)的全鏈條應用。專利中提到了使用這種硅碳復合材料的負極極片，包括負極集流體以及設置在其表面上的負極活性材料層。
在負極極片設計中，硅碳復合材料的質量百分比為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。這種設計靈活性使電池制造商可以根據(jù)不同應用場景平衡能量密度、功率密度和循環(huán)壽命。
進一步地，專利還保護了使用這種負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，包括電動汽車、電動工具、儲能系統(tǒng)等。這體現(xiàn)了寧德時代對未來電池應用場景的全面布局。
特別值得關注的是，專利中提到了一種結合三維網(wǎng)絡交聯(lián)孔結構的硅碳復合材料和特殊電解液的二次電池設計。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，進一步抑制活性材料在充放電過程中的體積效應，降低電池的直流阻抗和產(chǎn)氣量。
2025年上半年，寧德時代在研發(fā)方面投入了100.95億元，同比增長17.48%。截至目前，公司已公布國際專利申請1149個，較去年同期增加27.1%。持續(xù)的創(chuàng)新投入鞏固了寧德時代在全球電池領域的領先地位。
隨著這項硅碳復合材料技術逐步從專利走向產(chǎn)業(yè)化，下一代鋰電池的能量密度和循環(huán)壽命有望實現(xiàn)質的飛躍。電池技術的進步將推動電動汽車續(xù)航里程的提升和儲能系統(tǒng)成本的降低，為全球能源轉型注入新動力。
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