2025全国固态电池大会暨CVD硅碳负极材料技术大会

在锂离子电池向高能量密度升级的进程中，硅基负极凭借4200mAh/g 的理论比容量，成为突破传统石墨负极（372 mAh/g）性能瓶颈的关键方向。而化学气相沉积（CVD）技术因能实现硅在碳基质上的均匀沉积、构建稳定的硅碳界面，已成为硅碳负极产业化的核心工艺路线。在这一工艺中，多孔碳材料并非简单的 “载体”，而是决定 CVD 硅碳负极性能上限的 “骨架核心”，其性能直接决定了最终复合材料的电化学表现和产业化可行性。

多孔碳是一类内部富含相互连通孔隙的碳基材料，根据国际纯粹及应用化学联合会（IUPAC）的分类标准，其孔隙按孔径可划分为微孔（＜2 nm）、介孔（2-50 nm）与大孔（＞50 nm）三类，不同孔径的结构特性决定了其在 CVD 硅碳负极中的差异化功能。

同时，多孔碳还具备低电阻率、耐高温与耐酸碱的特性，能构建稳定导电网络、保障电极循环性，且孔型比例与孔隙率可通过工艺调控，适配不同 CVD 硅碳负极性能需求。

当前CVD 硅碳负极的产业化面临两大核心痛点：一是硅嵌锂时剧烈的体积膨胀易导致电极粉化、活性材料脱落；二是硅与电解液会发生副反应，反复生成过厚的SEI膜，消耗活性锂，降低电池首效和循环次数。而多孔碳的出现为这两大痛点提供了系统性解决方案。

1、缓冲硅体积膨胀

多孔碳的多级孔道构建了 “三级缓冲体系”，不仅为硅的膨胀预留了物理空间，还能通过弹性形变分散应力，显著降低颗粒破碎风险。介孔作为硅的主要沉积区域，其2-50nm 的孔径与硅颗粒尺寸高度匹配，硅嵌锂膨胀后可直接填充介孔空隙，避免颗粒间相互挤压。据行业数据显示，采用介孔占比60%的多孔碳时，硅碳复合电极的体积膨胀率可从纯硅的350%降至120%以下。其次，多孔碳的碳骨架具有一定柔韧性，弹性模量约10-20GPa，低于硅的 130 GPa，当硅膨胀产生局部应力时，孔壁可通过弹性形变分散应力，防止硅颗粒破裂。大孔结构可容纳电极的宏观体积变化，尤其在高硅负载量场景下，大孔能避免电极整体开裂，确保活性材料与集流体的粘结稳定性，为 CVD 硅碳负极的长期循环提供结构保障。研究表明，当多孔碳的孔隙率超过70%时，硅负极的循环寿命可提升3倍以上。

2、隔绝硅 - 电解液接触，稳定 SEI 膜

一方面，多孔碳的碳骨架可包裹硅纳米颗粒，减少硅与电解液的直接接触面积，而且CVD 工艺后期通常会进行二次碳包覆，在多孔碳 / 硅复合材料表面形成致密碳层，双重隔绝下，硅与电解液的副反应速率可降低60%以上。另一方面，副反应的减少直接避免了SEI膜因硅颗粒破裂而反复生成、脱落，显著改善了电极的能量转换效率与循环寿命。

1、活化法

活化法是将碳前驱体与活化剂混合后在高温惰性气体的条件下在碳前驱体上发生造孔反应的一种方法。活化法分为物理活化法和化学活化法。

（1）物理活化法

以椰壳、无烟煤等生物质或煤基原料为前驱体，先将原料粉碎去杂，利用高温碳化形成初步碳骨架，再于800-1100℃通入 CO₂或水蒸气作为活化剂，刻蚀碳骨架形成孔隙，冷却筛分后即得成品。其优势是绿色环保无化学试剂残留，成本低，适合生产中低端多孔碳。不过，介孔占比难超 50%，无法满足高硅负载需求。

（2）化学活化法

在前驱体选择上更侧重酚醛树脂、高碳无烟煤等碳含量高的原料，原料粉碎后与活化剂按 3:1 混合，高温下碳化活化，反应后水洗脱除活化剂并干燥。化学活化法制备的多孔碳介孔占比更高、孔结构可控性强，产物比表面积可达 2500-3000m²/g。

2、模板法

模板法是将碳前驱体填充到模板内，然后对碳前驱体/模板进行高温加热，使碳前驱体逐渐碳化，最后将模板去除获得多孔碳材料的一种方法。模板法可以分为硬模板法和软模板法。

（1）硬模板法

以氧化铝、分子筛等具有固定孔结构的材料为模板，将酚醛树脂等碳前驱体真空浸渍填入模板孔道，800-1000℃碳化后，用酸溶解模板得到与模板孔结构互补的多孔碳。这种制备方法介孔有序度超 90%、孔径偏差＜5%，能实现硅的均匀沉积，但模板成本高、工艺复杂，仅适用于实验室研究或小批量高端生产。

（2）软模板法

以嵌段共聚物、表面活性剂为模板剂，将其与蔗糖、酚醛树脂等碳前驱体混合，60℃搅拌使模板剂自组装形成介孔胶束，室温静置稳定后，600-800℃碳化，冷却即得介孔多孔碳。该方法介孔占比可达 60%-70%，成本低于硬模板法。

3、溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法是通过醇盐或者金属无机盐与溶剂混合形成溶液，经水解、缩聚形成溶胶-凝胶，随后经过陈化、干燥、低温烧结等工艺来制备多孔碳材料的一种方法。在采用溶胶-凝胶法合成多孔碳材料时，常常会在干燥阶段造成孔道结构的坍塌。为避免此现象，常采用模板法辅助溶胶凝胶的方法合成多孔碳材料。

据山西证券预测，全球多孔碳需求将达到 4.85 万吨，按单吨价格 15 万元计算，整体市场空间约为 72.82 亿，预计 2024-2030 复合增长率为 77.36%。

日本可乐丽作为电池级多孔炭的龙头供应商，凭借先进材料研发能力，在高端多孔碳领域占据领先地位，产品广泛应用于电子、半导体等前沿行业。

福建元力作为行业龙头，依托树脂基材料制备能力，在硅基负极材料配套的多孔碳领域占据优势，产品广泛应用于钠离子电池、氢燃料电池等领域。

圣泉集团通过农林废弃物制备多孔碳技术，实现 “原料 - 产品 - 碳封存” 闭环，固碳减排潜力达 9000 万吨 CO₂当量，构建数字孪生工厂提升生产效率。

金博股份聚焦医用多孔碳支架、碳捕集封存等细分领域，通过表面功能化、个性化定制技术，满足临床需求，产品孔隙率、弹性模量等指标达到国际先进水平，市占率超 30%。

此外，还有诸多中小企业聚焦专科化、定制化转型，形成差异化竞争格局。

资料来源：山西证券

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