宁德时代硅碳材料新突破：纳米团簇网络重塑电池负极未来
2025年9月18日，世界知识产权组织（WIPO）公布了宁德时代一项名为“硅碳材料及其制备方法与二次电池及用电装置”的国际专利申请。这标志着这家全球电池巨头在硅碳复合材料领域取得了最新突破。
硅基材料被誉为下一代高能量密度锂电池的“圣杯”，其理论容量远超当前广泛使用的石墨类负极材料。然而，硅在充放电过程中高达300%的体积变化，一直是制约其商业化应用的世界性难题。
宁德时代此次公开的专利技术，通过构建独特的碳化硅网络结构，将纳米硅团簇限制在网络空隙中，为这一难题提供了创新性的解决方案。
技术原理：纳米世界的精密建筑工程
在电池材料领域，硅拥有高达4200mAh/g的理论比容量，是石墨（372mAh/g）的10倍以上。但硅在充放电过程中会经历严重的体积膨胀收缩，导致电极材料粉化，电池容量迅速衰减。
宁德时代的专利技术核心在于设计了一种特殊的“三明治”结构：包括内芯和包覆层。内芯由碳基体和位于其表面的硅基材料组成，而硅基材料则包含硅团簇和碳化硅团簇。
这种结构的创新之处在于，碳化硅团簇形成了连续的网络结构，如同建筑中的钢筋框架；而硅团簇则被限制在这个网络结构的空隙中运作。当硅在充放电过程中发生体积变化时，周围的碳化硅网络能够有效缓冲和约束其膨胀，就像弹性容器容纳膨胀的气体一样。
专利中特别强调，硅团簇中硅微晶的晶粒尺寸P≤5nm，最佳范围控制在0.2nm至2nm之间。纳米尺度的硅团簇大幅减少了硅原子的长程迁移，降低了晶态Li15Si4相的形成可能，从而减少了硅的记忆效应。
制备工艺：脉冲沉积法的精密控制
宁德时代在此次专利中披露的制备方法同样具有创新性。该公司采用脉冲沉积法在碳基体表面沉积硅基材料。
这一工艺的具体步骤包括：将碳基体材料制成碳膜；在碳膜两端连接电极；将连接电极的碳膜置于反应容器中，在电极上施加脉冲电流，同时通入硅源气体与碳源气体的混合气体，在碳膜表面沉积硅基材料。
脉冲沉积法的优势在于能够精确控制材料结构和成分。通过调节脉冲电流的周期（脉冲时间1ms-1s，静置时间10ms-10s）、混合气体流速（0.01L/min-0.5L/min）以及沉积温度（≥450℃），可以实现对碳化硅网络结构和硅团簇尺寸的精细调控。
专利数据显示，最终制备的内芯Dv50（体积中值粒径）控制在2μm-20μm，最佳范围为8μm-20μm。这种粒径分布有利于电极浆料的涂布工艺，符合工业化生产的需求。
完成内芯制备后，宁德时代还在其表面制备了包覆层，通常为碳包覆层。包覆层材料占总质量的1%-20%，这一设计能减少循环过程中电解液对内芯的侵蚀，提升碳化硅团簇网络结构的稳定性。
材料配比：科学计算的完美配方
在材料成分方面，宁德时代的专利体现了精准的科学计算。根据专利摘要，硅基材料中硅原子与碳原子的原子个数比控制在10：（0.1-10）。这一比例确保了碳化硅网络结构的充分形成，同时保证了材料具有足够的硅含量以维持高容量。
以整个硅碳复合材料的质量计算，硅元素的质量百分比为5%-80%，碳元素的质量百分比为20%-95%。这一宽范围的比例设计使得宁德时代能够根据不同应用场景的需求，灵活调整材料的性能特点。
例如，追求高容量的电动汽车电池可能采用较高硅含量的配方，而注重循环稳定性的储能电池则可能选择碳含量更高的方案。这种灵活性是传统石墨材料难以实现的。
专利还透露，碳基体材料可选择氧化石墨烯、石墨烯、氟化石墨烯、碳纳米管、介孔碳或碳纳米纤维中的至少一种。这些碳材料各具特色，如石墨烯具有优异的导电性，介孔碳则拥有良好的离子传输通道，为不同应用场景提供了多种选择。
性能优势：突破硅基材料的瓶颈
宁德时代此次专利的硅碳复合材料在多个性能指标上展现显著优势。根据专利描述，这种材料能够有效消除硅的记忆效应，提高容量保持率。
记忆效应是硅基材料面临的一个重要挑战，它会导致电池容量随循环次数增加而持续下降，影响电池的使用寿命。
与传统硅氧材料相比，硅-碳化硅复合体系还能提高首效（首次库伦效率）和能量密度。首效是衡量电池性能的关键指标之一，直接影响电池的实际可用容量。
在专利中，宁德时代还特别强调了该硅碳复合材料的膨胀性小，循环性能和快充性能好。这对于电动汽车应用尤为关键，快速充电能力是影响消费者使用体验的重要因素。
此外，该材料还能满足Q2/Q1≤0.7的性能指标。这一指标是通过扣式电池测试得出的：充电过程中电压从0.2V至0.4V时的容量为Q1，从0.4V至0.6V时的容量为Q2。该比值反映了锂离子在材料中的嵌入行为，比值越低意味着锂离子的嵌入更加平稳，有利于电池的循环稳定性。
应用前景：从电池极片到用电装置的全链条覆盖
宁德时代的专利不仅关注材料本身，还涵盖了从材料到系统的全链条应用。专利中提到了使用这种硅碳复合材料的负极极片，包括负极集流体以及设置在其表面上的负极活性材料层。
在负极极片设计中，硅碳复合材料的质量百分比为1%-80%。其余部分可搭配人造石墨、天然石墨、硬碳、软碳或中间相碳微球等碳基材料。这种设计灵活性使电池制造商可以根据不同应用场景平衡能量密度、功率密度和循环寿命。
进一步地，专利还保护了使用这种负极极片的二次电池以及包含这种二次电池的用电装置。用电装置涵盖范围广泛，包括电动汽车、电动工具、储能系统等。这体现了宁德时代对未来电池应用场景的全面布局。
特别值得关注的是，专利中提到了一种结合三维网络交联孔结构的硅碳复合材料和特殊电解液的二次电池设计。电解液包含特定环状碳酸酯化合物，与硅碳材料协同工作，进一步抑制活性材料在充放电过程中的体积效应，降低电池的直流阻抗和产气量。
2025年上半年，宁德时代在研发方面投入了100.95亿元，同比增长17.48%。截至目前，公司已公布国际专利申请1149个，较去年同期增加27.1%。持续的创新投入巩固了宁德时代在全球电池领域的领先地位。
随着这项硅碳复合材料技术逐步从专利走向产业化，下一代锂电池的能量密度和循环寿命有望实现质的飞跃。电池技术的进步将推动电动汽车续航里程的提升和储能系统成本的降低，为全球能源转型注入新动力。
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