作者：邓拓 周海平 刘煜 刘畅 李梓恺 吴孟强
单位：电子科技大学材料与能源学院
引用本文：邓拓, 周海平, 刘煜, 等. 化学气相沉积法制备硅碳负极的研究进展[J]. 储能科学与技术, 2025, 14(9): 3354-3372.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2025.0147
本文亮点：1、综述了CVD法硅碳负极的研究进展 2、从碳基底对CVD硅碳的沉积动力学影响，硅源对CVD硅碳的沉积动力学的影响，高能量密度CVD硅碳负极的的应用，CVD硅碳产业化进展等角度进行了较为系统的总结 3、对CVD硅碳负极商业化提出了展望与思考，为CVD硅碳设计及制造提供指引
摘 要 硅因具有高的理论比容量、高的元素丰度以及环境友好等特点而成为当前锂离子电池最有潜力的负极之中备受关注的材料，但由于其低导电性、体积膨胀、电极粉化等问题限制了其大规模应用。为解决以上问题，一方面可以通过尺寸效应将硅颗粒纳米化，当粒径小于150 nm时，可显著抑制材料在充放电过程中的粉化现象，同时缓解其体积膨胀效应；另一方面，通过高强度材料的限域作用，束缚硅的体积膨胀并提高导电性。化学气相沉积(CVD)法制备的硅碳复合材料综合了两者优点，通过多孔碳基体的丰富微孔结构实现硅颗粒的原位限域生长，同时得益于碳材料优异的导电性能和机械强度，使得CVD硅碳复合材料作为负极展现出卓越的比容量和循环稳定性。这种独特的结构设计和性能优势使其成为新一代硅碳负极材料领域备受关注的前沿制备技术。然而，当前针对CVD硅碳负极的系统性研究仍显不足，其研究体系尚未形成完整框架，特别是在沉积动力学机制(如碳基体结构对沉积动力学的调控作用、硅沉积的微观结构演变规律)与工程化应用之间的构效关系方面，相关关键机理尚未完全阐明。基于上述研究背景，本文系统梳理了CVD硅碳负极技术的研究体系，建立多维分析框架：①碳基体结构与硅源特性对沉积动力学的协同调控机制；②高能量密度电极的界面工程策略与结构优化方法；③规模化制备工艺的关键技术瓶颈。通过整合现有研究成果，构建了从基础研究到工程应用的知识体系，揭示现阶段产业化进程中的核心矛盾，并提出工艺优化路径，为新一代CVD硅碳负极的理性设计与可控制造提供科学指导。
关键词 硅碳负极；化学气相沉积；锂离子电池；多孔碳
目前，锂离子电池被广泛应用于电动汽车和便携式电子设备中，由于市场对锂离子电池的能量密度要求较高，商业化的石墨负极材料因其较低的比容量(372 mAh/g)难以满足这一需求。硅具有较高的比容量(4200 mAh/g)，低的嵌锂电位[0.4 V (vs Li+/Li)]，环境友好，储量丰富等优点，是下一代锂离子电池最具潜力的负极材料之一。然而，硅基负极在锂化/脱锂过程中的剧烈体积膨胀(>300%)会引发材料内部应力累积，这不仅导致活性物质的结构粉化和机械完整性破坏，还会诱发电极/电解质界面接触失效与固态电解质界面膜(SEI)的持续重构。这种多重失效机制共同加剧了不可逆容量衰减(首效<80%)和电极极化效应，严重制约了其商业化应用进程。为了解决这些问题，研究者们尝试了多种方法，其中硅材料的纳米化被发现可以有效缓解体积膨胀，并且硅纳米颗粒的尺寸对于其电化学性能也有重要影响。Liu等用原位透射电镜发现硅纳米颗粒存在一个临界尺寸，当硅纳米颗粒小于150 nm时，循环过程中不会出现明显裂纹或破碎，其体积膨胀效应将得到缓解。虽然通过纳米结构设计有效缓解了硅基负极的体积膨胀效应，显著提升了其循环稳定性，但受限于半导体材料的本征特性，其电荷传输动力学迟滞问题依然突出。这种导电性缺陷不仅导致电极极化加剧，更严重限制了高倍率性能的实现，成为制约纳米硅负极进一步发展的重要瓶颈。为了解决硅导电率低的问题，研究者们尝试构建复合结构来提高硅基负极的电导率，其中碳具有优异的电导率、良好的收缩性、成本低等特点而备受关注，因此硅碳复合成为一种改善硅基负极缺点最为有效的策略。
目前制备硅碳复合负极材料的方法有化学气相沉积(CVD)法、喷雾干燥法、镁热还原法、机械球磨法、溶胶-凝胶法等，虽然制备方法各有差异，但核心思想都是将硅纳米化并与碳结合构建相应的复合结构。由于硅基负极的体积膨胀和导电率低的问题得到解决，硅碳负极实现应用化。如图1所示，目前硅基负极技术路线主要经历了三代，第一代技术路线是通过机械球磨法将硅的尺寸减少至纳米级别来减小材料的体积膨胀，通过硅颗粒之间的空隙来缓冲材料的综合体积膨胀。从理论上来讲，如果能将硅纳米颗粒研磨至20 nm以下且不团聚，就能极大程度上地解决硅负极的体积膨胀问题。但事实证明这超越了工艺极限，机械球磨法作为第一代硅碳复合技术，球磨时难以球磨至20 nm以下且不发生团聚，粒径较大，容易引入杂质，电池容量衰减快，难以达到一些应用领域需求。为了提高电池容量和倍率性能，人们采取了一种折中方案，用硅氧替代硅碳，于是第二代技术路线得到发展。该路线采用纯硅和二氧化硅合成一氧化硅形成前驱体，在嵌锂脱锂过程中，其中的SiOx与Li先发生反应，生成单质Si、Li2O及锂硅酸盐，单质Si进一步与Li发生反应形成LixSi合金，进而产生可逆容量。而生成的Li2O和锂硅酸盐在后续的电化学循环过程中不再参与反应。这种通过化学反应生成的单质硅粒径达到了5 nm以下，颗粒间空隙更丰富，同时，形成的Li2O和锂硅酸盐不参与后续反应，无膨胀，从而提供了更大的应力缓冲空间。因此SiOx相比第一代的纳米硅材料，理论比容量较低，但在嵌锂过程中的体积膨胀大大减小(约118%)，其循环性能得到较大提升。然而由于SiOx负极在充放电过程中会产生大量非活性物质，不可逆容量损失较大，首次库仑效率较低(70%)。
硅基负极材料技术路线发展图
针对氧化亚硅负极材料存在的首次库仑效率偏低这一技术瓶颈，研究者通过引入预锂化或预镁化改性策略可将其首效提升至90%量级。预锂化技术作为有效的电荷补偿手段，其核心机理是在电极制备阶段预先引入化学活性锂源，通过电化学工程方法弥补锂离子电池首圈循环中因SEI膜形成及不可逆副反应造成的锂损耗。该技术不仅显著改善了电极材料的首圈库仑效率，还可提升电池体系的质量能量密度(>10%)和循环稳定性。目前主流的预锂化方法主要包含三类：①添加剂预锂化，通过在电极浆料中掺入稳定性锂基化合物(如Li3N、Li2O等)实现原位补锂；②电化学预锂化，采用恒电位沉积或锂箔接触等电化学手段进行锂预掺杂；③化学预锂化，利用锂金属有机化合物(如联苯锂)与活性材料表面的氧化还原反应实现锂离子预存储。值得注意的是，预镁化技术虽具有相似的电荷补偿机制，但其化学动力学特征与锂体系存在显著差异。尽管上述改性策略可显著提升电池的首次库仑效率，但普遍存在工艺复杂度高、金属锂源利用率低等问题，特别是在规模化生产中会导致额外15%~20%的原料成本增加，严重制约其大规模商业化应用。因此为了平衡性能和成本，迫切需要发展新的技术路线，如何以更低的成本获得更好的性能成为硅基负极进一步发展的难题。然而就在硅基负极的进一步提升面临瓶颈时，新一代CVD硅碳技术应运而生，该技术也被称为第三代硅基负极技术路线。该路线的核心是以多孔碳骨架来储硅，在多孔碳颗粒内部的孔隙通入硅烷气体，通过高温热解使硅烷气体分解成硅纳米颗粒分散在多孔碳内部。CVD法作为新一代硅碳复合技术，能实现分子尺度的控制，沉积制备的硅碳负极组分均匀，结构致密，对设备要求低，成本低，工艺简单，粒径控制均匀，并且容易通过结构设计来优化硅碳负极材料，所制备的硅碳负极通常首效较高(80%~90%)，不需要额外的预锂化处理，循环性能较好。虽然目前第一代和第二代硅基负极材料已经实现了批量化应用，占据了大量市场份额，但是从性能、成本、稳定性和潜力来看，CVD硅碳都是三条技术路线中最具有优势的方向。据报道，2023年硅基负极的市场渗透率接近3.4%，并且随着硅基负极应用进入快车道，预计2025年硅基负极的渗透率达到20%~30%，产值将超200亿元。
化学气相沉积是一种由蒸汽通过化学反应沉积固体材料的工艺，这种化学反应通常发生在加热的基材表面或其附近。如图2所示，化学气相沉积反应过程主要分为五个步骤：(a)反应物扩散通过界面边界层；(b)反应物吸附在基片的表面；(c)化学沉积反应发生；(d)部分生成物扩散通过界面边界层；(e)生成物与反应物进入主气流里，并离开系统。该工艺已被广泛用于制备各种材料，如薄膜材料、纳米材料、光伏材料等。1995年Wilson等首次利用苯和含硅前驱体的CVD技术制备了硅碳负极，得到的碳化硅(SiC)纳米线具有良好的电化学性能。随后CVD法在制备硅碳负极中快速发展，其中包括以碳包覆或硅嵌入的方式为主的结构设计开始被大量研究，技术路线越来越成熟，开始向工业化大规模生产发展。2021年美国公司Group14宣布CVD法制备的硅碳负极SCC55TM开始商业化生产，实现克容量1800 mAh/g，循环性能超过1000次的突破性指标，标志着新一代CVD法将成为各大厂商制备硅碳复合负极的首选技术路线。
化学气相沉积步骤
本文系统综述了CVD法制备硅碳复合负极材料的研究进展，基于新一代CVD硅碳技术的关键技术路线，从碳基体材料优选和硅前驱体来源两个维度进行了深入探讨，重点分析了多孔碳材料的结构特征及其孔径分布对硅烷沉积行为的影响机制，同时阐明了硅沉积过程的动力学机理。此外，本文还探讨了新一代CVD法制备的硅碳复合负极在固态电解质体系中的应用，并详细介绍了当前工业界CVD法制备硅碳负极材料的关键设备技术发展现状。基于现有研究成果，本文从基础研究、技术创新和产业化应用三个层面，对新一代CVD硅碳负极材料的发展趋势进行了前瞻性展望。
1 碳基体对CVD硅碳的沉积动力学影响
硅碳复合材料是以硅源物质和碳质原料进行精确配比，通过合理的结构设计，进行成型/烧结或沉积制成。CVD法制备硅碳复合负极材料主要通过在碳基体表面进行含硅前驱体的热解沉积来实现。在该工艺中，碳基体材料的选择具有决定性影响，不同微观结构和物理化学特性的碳基体会显著影响硅的沉积行为及其与碳基体的界面结合特性，从而导致最终复合材料的电化学性能产生显著差异。我们希望通过对CVD法制备硅碳负极的碳基体材料中不同碳基体对比探讨，简述各种碳基体的特点，如石墨的稳定性和优异的导电性、碳纳米管的机械稳定性和优异的导电性、多孔碳的丰富孔结构和低成本，以及硅烷在不同碳基体中的应用，分析碳基体对CVD硅碳的沉积动力学影响。最后结合商业化最新进展重点介绍了多孔碳基体，比较了不同多孔碳前驱体的来源以及优缺点，分析了多孔碳孔结构、比表面积等参数对硅沉积的影响，发现适当的孔体积、较大的比表面积(约2000 m2/g)、较多的微孔占比更适合作为硅烷沉积的碳前驱体，因此为研究者们应该如何选择适用于CVD法硅碳的碳基体提供相应的建议。
1.1 石墨
石墨由于低成本、优良的稳定性和高导电性被用作锂离子电池的商业化负极。然而石墨的理论容量仅为372 mAh/g，无法满足开发高能量密度锂离子电池的要求，但石墨具有良好的导电性可以弥补硅负极导电性差的缺陷，因此将石墨与硅颗粒复合是一种有效的方法。通过CVD方法将硅颗粒嵌入到石墨片层间，其中石墨不仅可以作稳定的固体电解质界面(SEI)层，还可以防止硅颗粒聚集并促进负极的电子传导。Holzapfel等首次以硅烷为前驱体，通过CVD的方法在细石墨基体上沉积获得纳米级硅颗粒，如图3(a)所示，硅颗粒形成长聚集体，并与较大的石墨颗粒紧密相连，石墨基体的作用是控制Si颗粒的膨胀，从而提高Si负极的机械稳定性。如图3(b)所示硅含量为20%的硅/石墨复合材料显示出1350 mAh/g的初始容量和74%的首圈库仑效率，而随后100次循环的放电容量在74 mA/g下保持在1000 mAh/g左右。循环过程中相对缓慢的容量损失主要归因于硅纳米粒子在石墨表面的均匀分布和良好的黏附性，表明大量石墨的存在对适应硅的体积变化有益。然而由于嵌入颗粒的体积变化增大，其循环性能提升有限，石墨与硅之间的界面附着力差，使得体积变化无法控制，不能满足实际电池需求。因此为了实现硅/石墨复合材料的高容量和良好的循环性，构建多组分体系至关重要。Cho等利用CVD两步法工艺制备了硅纳米层嵌入的石墨/碳杂化物(SGC)，如图3(c)所示，硅纳米层和碳被均匀地涂覆在石墨基体上，并且它们三者之间的界面没有多余的空隙、杂质等，这种技术可以允许硅颗粒渗透到石墨框架深处，从而实现有效的硅调节。因此SGC材料(6%硅含量)实现了高首效(92%)的可逆容量(517 mAh/g)，如图3(d)和3(e)所示，并且由于具有优异的容量保持能力，即使在高电流密度下(>1.6 g/cm3)，该材料也有效克服了电极膨胀问题，获得了高面积容量(>3.3 mAh/cm2)。当复合材料中的硅质量分数增加到9%时，尽管可逆比容量达到596 mAh/g，但过度形成的硅层在锂嵌入过程中无法维持其结构稳定性，导致前几圈循环容量严重衰减。
(a) 纳米硅/石墨复合电极的扫描电镜图像；(b) 含20%纳米硅的复合电极在EC∶DMC(体积比1∶1)，1 mol/L LiPF6，2% VC中的循环行为; (c) SGC复合材料的制造过程示意图；(d) PG、SG、SGC、9%-SGC和B-Si/G在0.5 C下循环100次的可逆放电容量与循环图; (e) 倍率从0.2 C增加到5 C时SGC与PG、SG和B-Si/G性能对比图; (f) P-SGC复合材料的合成过程示意图; (g) NG、PG、N-SGC、P’-SGC、P-SGC和P-SGC-25%电极在0.2 C下的循环性能
然而较少的硅含量无法满足实际应用要求，因此，设计和制造具有高首效、优异容量稳定性、高倍率性能和低体积膨胀的高容量(800~1200 mAh/g)含硅石墨负极才能满足实际应用的迫切需求。为了解决硅含量增加导致的容量衰减问题，Du等提出使更多的硅粒子分布在石墨上来缓解锂化/脱锂过程的体积膨胀和保持电极的整体稳定性，如图3(f)所示，他们通过热处理二氧化碳蚀刻的方法制备了多孔石墨(PG)，以增加球形天然石墨(NG)的内孔隙和通道。通过控制二氧化碳的气体流动和反应时间，有效地开发了石墨的内表面积和空隙空间。然后通过硅烷CVD方法在多孔石墨基体上均匀沉积硅颗粒，并通过乙炔气体热分解覆盖碳层以防止硅颗粒与电解质直接接触，得到了一种涂有非晶碳层的硅@石墨复合材料(P-SGC)。如图3(g)所示，其电极(15%硅含量)在0.2 C下的可逆比容量为823 mAh/g、首圈库仑效率为89.061%、200次循环后容量保持率为86.15%。电化学性能较天然石墨合成的硅@石墨@碳(N-SGC)复合电极增强，这是由于P-SGC形成内部有大孔的多孔石墨，硅纳米颗粒的沉积不仅可以沉积在石墨的表面，也可以沉积在多孔石墨的内部，从而使硅纳米颗粒在整个石墨中均匀分布，整个石墨在电极充放电过程中导电均匀沉积，硅体积变化减小。因此高硅含量石墨复合产品应考虑以下重要问题：①硅颗粒在石墨中的均匀分布；②将硅的厚度调节到纳米级，以避免压延过程中出现裂纹；③高电导率/离子电导率，以提高倍率性能。
1.2 碳纳米管
与石墨相比，碳纳米管由于具有优异的导电性、优异的机械强度、优良的长宽比以及弯曲度，经常被作为添加剂来提高电极的电化学性能。因此将碳纳米管和硅结合也是一种合理的策略，其中碳纳米管可以有效地构建导电网络，通过CVD方法将硅颗粒沉积在其导电网络中，可以充分利用其基体的延展性，以减轻硅负极体积膨胀带来的不利影响。Wang等首次报道了由垂直排列的多壁碳纳米管合成的新型一维异质结构(VACNTs)，如图4(a)所示，采用简单的两步CVD法制备硅/碳纳米管复合体，首先使用液体注入CVD，以二甲苯作为碳氢化合物源，从二茂铁分解得到的铁为催化剂催化生长多壁碳纳米管，然后利用硅烷气体CVD将硅纳米簇沉积到多壁碳纳米管表面上。其中碳纳米管作为应变释放的柔性机械支撑，并提供了有效的导电通道，而纳米簇硅提供了高容量。结果表明该异质结构在100 mA/g下具有2552 mAh/g的初始放电比容量[活性物质质量比：乙炔黑：羧甲基纤维素钠(CMC)为50∶10∶40]，首圈库仑效率为80.3%，在25次循环中，每圈循环容量衰减仅为0.15%[图4(b)]。为了进一步提升高充放电流密度下的容量，Li等首次利用碳纳米管/金属纳米颗粒杂化材料，增强一维硅纳米线的气液固成核和生长，通过短时间CVD法在集流体上合成了具有高面负载密度并且排列良好的硅纳米线-碳纳米管(Si NW-CNTs)阵列。如图4(c)所示，金纳米颗粒修饰的碳纳米管被用作集成生长催化剂和中间载体来促进硅纳米线的生长，而硅纳米线下面的碳纳米管进一步充当纳米级三维导电网络，在硅纳米线和集流体之间提供优异的电接触。制备的SiNW-CNTs在2100 mA/g的高电流密度和0.5 mg/cm2的高负载密度下可以获得1.6 mAh/cm2的高面容量，首圈库仑效率为86.3%，并且30次循环内无明显衰减，具有优异的电化学性能[图4(d)]。
(a) 使用液体注入CVD生长垂直排列的碳纳米管，随后沉积硅以制备硅/碳纳米管混合纳米结构的示意图; (b) 25个循环的放电/充电容量和库仑效率图; (c) 在集流体(不锈钢基板)上的碳纳米管(SiNW-CNT)阵列上制造硅纳米线阵列的示意图; (d) 比较了以Si NW-CNT和Si NWs作为工作电极的电池在第一圈以0.05 C (210 mA/g)，其余圈以0.5 C (2100 mA/g)的恒定电流在0.02和1.5 V之间循环的面积容量; (e) Si/CNTsS的制造工艺示意图; (f) 软包电池在0.5 C下的循环性能(Si/CNTsS/石墨vs NCA和石墨vs LCO); (g) 合成GC@Si-C微球的过程示意图; (h) 0.5 A/g时长循环性能; (i) GC@Si-2/G||NCM811全电池的1 C循环性能
然而上述两种方法所制电池的循环性能较差，成本过高，无法满足实际商业化需求。为了进一步提高电池的循环性能及能量密度，降低成本，并满足实际生产的需求，Zhao等提出了一种实用的合成硅碳负极的方法，如图4(e)所示，首先通过喷雾干燥制备了碳纳米微球(CNTSs)，然后将CNTSs作为硬模板在流化床反应器中通过CVD方法将纳米硅颗粒沉积到CNTSs上，得到硅/碳纳米管(Si/CNTSs)材料，这是首次在流化床反应器中通过CVD法原位合成CNTSs包覆纳米硅，克服了常规(静态)固定床CVD法产率低的缺点。将Si/CNTSs与石墨复配(1∶10)作为负极，以LiNi0.8Co0.15Al0.05O2(NCA)为正极制备了软包电池(N/P=1.1)，对比商用石墨软包电池，在总质量相同的情况下Si/CNTSs/石墨的容量几乎是石墨的1.3倍[图4(f)]，电化学结果表明这种新型的流化床CVD法合成Si/CNTSs的策略具有巨大的应用潜力，将有助于降低成本，并促进商业化生产。
虽然这种实用的新型合成硅/碳纳米管微球方法显示出巨大的应用潜力，但由于容量较低仍无法满足人们对高能量密度锂离子电池的需求。为了进一步提升电池的容量，本课题组提出将硅沉积在由碳纳米管和石墨烯复合的碳基体材料中的方案。如图4(g)所示，使用喷雾干燥工艺构建由碳纳米管和石墨烯组成的三维导电结构。石墨烯相互交织形成碳骨架，碳纳米管均匀地分散在石墨烯上。颗粒内部大量的空隙和通道缩短了锂离子的传输路径，为硅的体积膨胀提供了空间。随后在碳骨架上通过硅烷CVD生长得到复合材料GC-Si，最后将CH4和Ar的混合气体引入PECVD反应器中生长碳层，形成GC@Si-C复合材料。这种复合材料显示出优异的电化学性能，如图4(h)所示，GC@Si-1、GC@Si-2和GC@Si-3分别表示沉积硅10 min、20 min、30 min，其中GC@Si-2展现出高的初始比容量(2050 mAh/g)和初始库仑效率(80%)，并且在0.5 A/g电流密度下循环150次后容量保持率为98.7%，倍率性能也较为优异，这是由于三维导电骨架减少了硅与碳纳米管之间的硅硅接触，提高了倍率性能。因此，即使没有碳涂层，硅碳复合材料也能展示出较为良好的性能。PECVD碳层包覆进一步提高了材料的循环性能，在循环500次后容量仍有802 mAh/g，容量保持率为90.7%。为了验证实际应用的需求，利用LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM811)商用正极组装成全电池(N/P=1.3)，如图4(i)所示，电池能量密度高达430 Wh/kg，并且在1 C下循环150圈后，容量保持率高达72.0%，展现出巨大的应用潜力。
1.3 多孔碳
多孔碳由于来源广泛并且孔隙结构丰富而在CVD硅碳负极材料中备受关注，成为目前新型CVD硅碳负极中最常用的碳基体材料。多孔碳是通过物理或者化学活化的方法对含有碳的原材料进行热解而得到的具有丰富孔隙结构一种碳材料，目前多孔碳的来源主要有三种：树脂基、生物质基、沥青基，它们的优缺点如表1所示。多孔碳材料凭借其高比表面积和丰富的多级孔结构，为CVD法制备硅碳复合材料提供了理想的载体。通过CVD工艺将纳米硅沉积于孔隙内部，可有效缓解硅在充放电过程中的体积膨胀，显著提升电极的循环稳定性。从力学性能角度，多孔碳的独特结构使其具有较低的杨氏模量(通常为1~10 GPa)，这种特性使其能够在外部应力或内部体积变化时发生塑性变形而不破裂，从而维持电极的结构完整性和电接触稳定性。此外，多孔碳的三维互联孔道结构为锂离子传输提供了丰富的扩散通道，有效降低了离子传输阻抗，从而显著改善了材料的倍率性能。Xu等提出了一种高密度碳涂层亚纳米硅嵌入活性碳负极(ACSC)用于降低锂离子电池的体积膨胀，如图5(a)所示，以具有89%微孔体积比的低成本商业活性碳作为多孔碳基体，利用硅烷CVD法合成高度分散的亚纳米硅，最后用乙炔CVD法进行碳层的包覆。集成的活性碳构架不仅建立了一个连续的导电网络，在循环过程中为硅的体积膨胀提供了强大的机械支撑，而且非晶和高度分散的硅使ACSC的各向同性膨胀能够在循环过程中保持更好的结构稳定性，尽管所得的ACSC具有0.99 g/cm3的高振实密度和48%的硅含量(ACS0.48 C)，但在0.5 C(1 C=1700 mA/g)下ACS0.48 C仍具有2148 mAh/g的初始放电比容量以及88%的首圈库仑效率，并且在200圈后容量保持率为85.5%[图5(b)]，表明了其优异的电化学性能，有望实现工业化。
表 1多孔碳原料对比
(a) ACSC复合材料的合成方法示意图; (b) ACS0.48 C的循环性能(1 C=1700 mAh/g); (c) 根据碳载体的表面形态和孔隙结构而决定的硅负载行为; (d) HC-0.8@Si@C复合材料的合成示意图; (e) HC-1@Si@C、HC-0.8@Si@C和HC-0.6@Si@C的倍率性能(1 C=1500 mAh/g); (f) 0.2 C时的循环性能
虽然以多孔碳为基体沉积硅得到了良好的电化学性能，但多孔碳的孔隙、孔体积等参数对硅沉积的影响尚不清楚。为了探究多孔碳载体对硅烷沉积的影响，Kim等通过KOH和NaOH活化沥青制备了具有不同孔隙结构的多孔碳载体，然后通过硅烷CVD将硅沉积到多孔碳内部，再利用甲烷CVD进行碳涂层的包覆得到样品(C/Six/K和C/Six/Na, x代表硅烷沉积时间，h)，发现对于用KOH和NaOH活化的具有相似比表面积的多孔碳载体，硅沉积表现出不同的行为，并且这主要取决于是否存在>1 μm的孔隙。在孔隙较小、较圆的(约1 μm)K样品中，硅烷气体扩散到部分孔隙中，硅一部分沉积到孔隙中、另一部分沉积到外表面。随着CVD时间的增加，沉积在外表面的硅量增加，导致硅在高温下烧结；在宽孔隙结构(>1 μm)的Na样品中，硅烷气体扩散平稳，大部分硅沉积在孔隙中，抑制了硅的烧结，导致颗粒尺寸最小。如图5(c)所示，虽然大的比表面积提供了硅沉积位点，但根据勒夏特列原理，需要一个大的孔隙结构(微米量级)才能通过低压硅烷CVD将硅沉积到孔内结构中，预计可以有效地控制沉积在孔隙结构中的硅颗粒的体积膨胀。然而，关于碳基体的孔隙体积对硅/碳多孔复合物材料电化学性能的影响仍缺乏深入的研究。因此，从碳基体的孔隙体积与硅含量之间的相关性来构建合适的应力碳框架，是深入了解硅/碳多孔复合材料的一种可能方法。为了更加深入地探究多孔碳孔体积对硅碳负极电化学性能的影响，Du等以硬碳为基体，设计孔体积分别为0.6，0.8，1 cm3/g的多孔碳材料，如图5(d)所示，然后进行硅烷CVD沉积纳米硅颗粒，最后乙炔CVD包覆碳层，得到HC-x@Si@C(x为孔体积)。他们发现在高硅负载下，孔体积小的碳衬底容易在其表面形成厚的硅壳，与电解质发生明显的副反应，从而对循环稳定性产生负面影响，并且该硅壳层降低了电导率，阻碍了锂离子的扩散。然而孔隙体积并不是越大越好，孔隙体积大的碳衬底结构稳定性有限、力学性能差，无法承受外力和硅体积膨胀，不利于实现长循环和高倍率性能。电化学结果表明[图5(e)和图5(f)]，当硅含量为41%时，最佳的孔隙体积匹配值为0.8 cm3/g，HC-0.8@Si@C表现出良好的初始容量(1640.26 mAh/g)和首圈库仑效率(88.41%)，同时兼具优异的循环性能和倍率性能(活性物质∶super-P∶CMC为70∶15∶15)。因此只有将适当的孔隙体积碳衬底与硅含量相匹配，才能获得硅/碳复合负极的最佳电化学性能。
2 硅源对CVD硅碳沉积动力学的影响
在化学气相沉积(CVD)法制备硅碳复合负极材料的过程中，碳基体的结构特性固然发挥着关键作用，然而硅沉积过程的动力学行为及其微观机制同样具有重要的研究价值。硅沉积过程不仅直接影响活性物质的负载量和分布均匀性，还决定了硅-碳界面结构的形成质量，这对最终复合材料的电化学性能具有决定性影响。CVD法硅碳主要是通过在一定的温度下通过高温对含硅的前驱体裂解，从而在碳基体沉积硅。因此，在相同的碳基体上，硅前驱体的来源不同，沉积效果也不同；并且对于相同的硅前驱体，其沉积工艺如温度、气氛、压力等参数也会影响硅的沉积，从而直接影响硅碳负极的性能。
2.1 硅原料
CVD硅碳中含硅的前驱体来源广泛，主要来自有机物，包括四氯化硅(SiC4)、二甲基二氯硅烷[(CH3)2Cl2Si]、氯硅烷(HSiCl3)、硅烷(SiH4)等。Wilson等首次利用SiC4和(CH3)2Cl2Si作为硅的前驱体，利用苯作为碳源，通过CVD法合成了硅碳负极材料，如图6(a)所示。结果显示硅主要与碳邻键结合，没有发现大的硅团簇，当硅含量为11%时，其半电池的初始放电比容量超过600 mAh/g，并且表现出较好的循环性能。他们认为硅原子或由少数硅原子组成的小团簇，位于“无序碳”区域，这些区域分隔了有组织的石墨烯层的小区域，这种材料可作为电极材料应用于先进的可充电锂电池中。Wolf等利用HSiCl3作为硅的前驱体，通过微波等离子CVD法在3D碳纤维上沉积纳米硅合成了一种硅碳复合材料，如图6(b)所示，碳纤维为纳米硅的沉积提供高的比表面积，并通过其渗透网络提供了机械稳定性和导电性，沉积的硅以及碳质基质的石墨部分作为锂插层材料。结果显示其硅碳负极即使在高充放电电流的多次循环中，也能有稳定的容量，对于硅含量小于20%的复合材料，可以获得超过700 mAh/g的放电比容量。然而上述硅源是液体，粒径不好控制，且操作繁琐，不利于工业化生产。为了实现一种简单、高效且低成本的硅碳负极制备方法，Magasinski等以硅烷气体作为硅的前驱体，通过CVD法在低成本的炭黑纳米颗粒上生长纳米硅颗粒并生成短链，然后以0.5~1 μm的多支纳米复合材料在常压下利用丙烯沉积碳的过程中自组装成大孔径的球形颗粒，形成硅碳复合负极材料，制备工艺如图6(c)所示。硅CVD沉积时间以及沉积体系中的压力和温度决定了沉积的硅纳米颗粒的尺寸；纳米碳中分支的大小和沉积的硅纳米颗粒的大小决定了合成复合材料的孔径；复合颗粒的直径受碳CVD工艺参数和初始支链碳颗粒尺寸的影响；因此，该过程可以控制复合材料的孔径和组成。测试结果表明，该硅碳负极具有1950 mAh/g的高初始放电比容量，且在1 C下循环100圈无明显衰减[图6(d)]，展现了良好的电化学性能。然而，硅烷的氧敏感性和低利用率以及成本高、对设备要求高，极大地限制了CVD硅碳的大规模应用。为了降低原料成本，Liu等利用氯甲基硅烷[(CH3)xSiCl4-x, x=1, 2, 3]作为硅的前驱体，如图6(e)所示，通过CVD法在石墨表面生长成硅纳米线涂层，然后通过乙炔进行碳涂层的包覆，得到了一个碳/硅纳米线/石墨微球(C/SiNW/GM)。该C/SiNW/GM复合材料的首次库仑效率为76%，并且在0.2 C下经过100次循环仍有580 mAh/g的比容量[图6(f)]，与石墨相比，C/SiNW/GM复合材料具有更高的性能和更好的循环稳定性。
(a) CVD装置的示意图，其中a) 为自动流量控制器; b) 和c) 为手动流量控制器; d) 和e) 为数字流量计; f) 和g) 为不锈钢源瓶；h) 为反应管; i) 为管状插入件，对准炉热区; j) 为加热炉；k) 为油起泡器; (b) 微波等离子体CVD反应器中碳纤维衬底上硅CVD的实验装置; (c) 自下而上组装硅纳米复合颗粒形成示意图; (d) 与石墨的理论容量相比，C-Si颗粒电极的可逆脱锂能力和库仑效率与循环数的关系; (e) C/SiNW/GM复合材料的结构示意图; (f) C/SiNW/GM的长循环和倍率性能
综上所述，液相硅源虽然成本低、来源丰富，但是沉积过程的工艺参数不好控制；气相硅源硅烷虽然较危险，但沉积过程的工艺参数较好控制，沉积更加均匀，粒径可以调控，并且可以大批量生产。因此，目前新一代CVD法制硅碳主要利用硅烷在多孔碳基体上沉积纳米硅来获得高首效、长循环、高容量的硅碳负极材料。但由于硅烷气体的危险性以及成本仍然限制了大规模商业化进程，因此如何安全地保存、使用硅烷以及如何降低硅烷的生产成本也是一个重要课题。
2.2 硅烷沉积
尽管硅烷作为CVD法制备硅碳负极材料最常用的气相硅源已获得广泛应用，但其在沉积过程中的复杂反应机制仍存在诸多未解之谜。研究表明，硅烷的热解过程涉及多种中间产物和复杂的表面反应路径，这些反应路径受温度、压力、气体流速等工艺参数的显著影响。此外，不同的沉积方法(如常压CVD、低压CVD、等离子体增强CVD等)会通过改变反应动力学过程而影响硅的沉积形貌、结晶度和分布均匀性，这些因素最终决定了复合材料的电化学性能。因此，深入理解硅烷沉积的反应机理并优化工艺参数，对于制备高性能硅碳负极材料具有重要意义。因此为了探究不同CVD法硅烷的沉积影响，Forney等分别通过硅烷低压化学气相沉积(LPCVD)和等离子化学气相沉积(PECVD)将硅沉积在轻质单壁碳纳米管(SWCNT)集流体上，得到Si-SWCNT独立负极，如图7(a)所示。结果表明，CVD沉积方法的选择对Si-SWCNT电极的形貌和性能有显著影响。PECVD-Si-SWCNT电极在相似的Si质量负载下显示出更高的嵌锂容量。在低硅负荷(<0.4 mg/cm2)，纯硅嵌锂容量超过3580 mAh/g(Li15Si4相)，这表明在PECVD-Si-SWCNT电极的锂化过程中形成Li15Si4和Li22Si5相的混合物。当负极面积容量为2 mAh/cm2时，PECVD-Si-SWCNT负极与LiNi0.8Co0.1Al0.1O2(NCA)正极的全电池在100次循环中表现出稳定的40%放电深度循环，且性能退化极小[图7(b)]。
(a) LPCVD和PECVD流程的示意图; (b) NCA vs PECVD-Si-SWCNT的全电池在40% DOD下循环，充放电倍率分别为C/2和2C/3; (c) 关于硅生长抑制剂的行为的模拟; (d) 使用C(5)Si-G/Gra/NCM811的110 Ah柱式全电池; (e) A: 硅烷CVD法在多孔碳颗粒上沉积的示意图; B: 装有碳粉并从右通入硅烷气体的管式炉示意图
然而，高容量硅碳复合负极材料在电化学循环过程中面临着显著的体积膨胀问题。为改善其循环稳定性，研究者普遍采用减小负极活性物质粒径的策略，以缓解体积膨胀带来的机械应力。尽管如此，在硅烷化学气相沉积过程中实现亚纳米尺度(<1 nm)硅颗粒的可控制备仍面临重大挑战，这主要源于纳米尺度下硅前驱体的成核与生长动力学难以精确调控，以及超细硅颗粒极易发生团聚等问题。Sung等认为在仅有硅烷气体的热分解过程中，硅将成核并持续长大，如果成核受阻就会产生亚纳米硅。进一步地，他们的理论模拟支持了这种生长抑制机制的存在，成核抑制可以防止化学气相沉积过程中成核后尺寸的持续增大。如图7(c)所示，该生长抑制机制被成功地应用于亚纳米硅的合成，从而产生嵌入在由碳和碳化硅组成的高度稳定的双基质中的亚纳米尺寸(<1 nm)硅。其中乙烯不仅作为硅生长抑制剂，通过形成硅碳键减缓硅核的生长，而且作为产生双基体的碳来源。此外，形成的硅碳键有助于生成稳定的晶体碳化硅基质，这不仅阻止了天然二氧化硅层的形成，而且有助于在长期循环过程中保持硅碳层的形态完整性。实验结果发现随着乙烯与单硅烷的比例从原始硅增加到10∶5[C(5)Si]的比例，原子团簇的生长速率大幅下降，得到C(5)Si体系中Si原子数最小的粒子，这是因为随着乙烯含量的增加，硅-硅键的数量大大减少，而硅-碳键的数量则有所增加。为了评估电池实际应用的性能，他们利用石墨混合的C(5)Si-G[C(5)Si-G/Gra]负极和LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM811)正极制备了一个容量超过110 Ah的全电池，如图7(d)所示，该亚纳米硅负极表现出良好的循环性(2875次循环容量保持率为91%)。
尽管硅烷CVD法在制备硅碳复合负极材料方面已展现出优异的电化学性能，且众多研究者已对其沉积机理进行了深入探索，然而关于沉积工艺参数(如温度、压力、气体流速等)与碳基体特性(包括比表面积、孔隙结构、表面官能团等)对硅沉积均匀性的协同影响机制，目前仍缺乏系统性的研究。因此为了对硅烷沉积的整个过程有一个深入的了解，Han等建立了一个硅于管式炉中化学气相沉积到多孔碳的通用模型，如图7(e)所示，模型描述了平流、扩散和反应动力学等关键过程。研究了温度、压力、管长、流速、表面积、孔径等各种参数，并确定了其对管内沉积均匀性和填充部分的影响。仿真结果与实验结果基本一致，于是进一步利用该模型预测了不同的实验参数和碳性能对沉积均匀性的影响。该模型预测，较低的温度、较低的压力、较高的流速、较少的碳填装量和较低的比表面积有利于整个管炉沉积硅的均匀性。实验结果表明，在485 ℃下，较低的压力、较长的沉积区、较高的流速和较少的碳填装量有利于整个沉积区的均匀沉积。同时，这些参数对颗粒内均匀性影响不大，颗粒内均匀性较好。这归因于在485 ℃下，反应速率远小于纳米多孔碳中的扩散速率。另一方面，较低的比表面积和较小的孔隙体积可以提高整个沉积带的沉积均匀性，而孔径对均匀性的影响不显著。该模型为优化管式炉反应器的运行条件提供了有价值的见解，并有助于沉积过程的研究进展。
3 CVD硅碳负极的高能量密度固态电池应用
作为下一代硅基负极锂离子电池最有前景的材料，新型CVD硅碳负极用于液态电解质电池已经被广泛研究，并且已经逐步实现商业化。但目前液态电解质电池仍存在着一些重要问题，如电解质挥发、可燃性、电压有限、产生爆炸等阻碍着锂离子电池进一步发展，能量密度提升有限。固态电解质由于较好的安全性和较高的能量密度被认为是未来的发展方向，因此将新型CVD硅碳负极应用于固态电池具有较大前景。然而硅在锂化和脱锂过程中会产生巨大的体积膨胀，导致电极裂解和粉碎，最后导致与电解质界面接触不良。为了解决这个问题，如上文所述在液态电解质电池中硅负极通常被限制在纳米尺度(临界厚度约100 nm)，这极大限制了电池的能量密度，而固态电解质的最新发展为液态电解质锂离子电池的许多问题提出了潜在的解决方案。Ferraresi等和Chen等研究了石榴石型固态电解质(SSE)-硅负极电池体系，由于采用的硅负极的厚度仍在纳米级(50~180 nm)，所制备的固态电池的能量密度较低。然而硅负极的质量负载对实际应用至关重要，硅负极厚度的增加是一个必要条件，因此对固态电池中硅负极的界面和纳米尺度力学演化的研究非常重要，这也是固态硅负极实现商业化的关键。为了深入了解固态硅基电池的反应特性，Ping等首次利用CVD法将微米级厚度的硅负极与石榴石固态电解质LLZAO(Li7La3Zr2O12和3%Al2O3)结合得到硅基固态电池，如图8(a)所示，首先采用硅烷等离子体化学气相沉积(PECVD)在LLZAO表面构建非晶硅负极，然后再用一层单壁碳纳米管(CNTs)覆盖在硅膜表面作为集流体。作为对比，将该微米级硅负极分别组装成固态电解质电池和传统液态电解质电池来比较电化学性能。如图8(b)所示，结果显示液态电解质电池的首圈库仑效率(77.1%)低于固态电解质电池的首圈库仑效率(83.2%)，表明在固态硅负极界面上的不可逆反应较少。为了进一步深入了解这一现象，有限元建模被用来模拟硅在电解质-电极界面的锂化/脱锂过程。结果显示如图8(c)所示，发现石榴石的强纳米力学约束导致硅负极在锂化过程中的体积膨胀显著减少，此外石榴石还可以限制硅膜在脱锂过程中的收缩，防止负极被损坏。同时液态电解质中缺乏这样的强纳米约束，导致了裂缝的出现，这可能是首圈库仑效率较低的原因。尽管CVD法硅基固态电池在实际应用之前还存在一些挑战，但在液体电解质中的研究很多，可以为CVD硅碳负极匹配固态电解质提供参考，使CVD法硅基固态电池发展更加迅速，逐渐推进商业化进程。
(a) 锂/石榴石/硅电池在放电条件下的形态变化; (b) 固态和液态锂离子电池中1 μm Si负极的电压分布图; (c) 石榴石型固态电解质的力学约束
4 CVD硅碳产业化装备发展
新一代CVD法制备硅碳复合负极材料的性能不仅取决于原料的选择与优化，沉积设备的关键作用同样不容忽视。沉积设备的核心参数(如温度场均匀性、气流分布特性、压力控制精度等)直接影响材料沉积的均匀性、重复性及工艺安全性。此外，设备的单次沉积容量和连续生产能力是决定其产业化可行性的关键指标，这些因素直接影响生产成本和规模化制备效率，进而决定了该技术的商业化进程。目前用于CVD硅碳负极工业化生产的设备主要有流化床和回转炉。
流化床设备是一种通过气体或液体流体化固体颗粒的工艺设备。如图9(a)所示，在CVD硅碳负极制备过程中，通过调整流体的流动速度和温度，使硅颗粒在床层中均匀分布，进而将纳米硅沉积到多孔碳中，并实现对硅颗粒的碳包覆。流化床由于沉积均匀性较好，硅烷利用率高，并且可以实现对硅颗粒形态和尺寸的控制，确保硅碳复合材料的均匀性和稳定性，而被视为行业发展的未来。但是硅烷吸附与裂解需要高压与高温环境，因此要求流化床设备需要有极好的密闭性和高气压以实现小颗粒的气态包覆，操作难度高，安全问题大，规模化难度较大。目前大部分厂家用于生产CVD硅碳负极的流化床设备仍以20 kg/炉小型化设备为主，产量较低，而设备厂家虽然已开发出超过100 kg/炉的流化床设备，但是相关设备的验证、工艺的优化及改进、投入量产使用仍需要时间。
(a) 流化床化学气相沉积装备结构示意图; (b) 回转炉化学气相沉积装备结构示意图
回转炉设备是一个用于煅烧的固定床设备，通过倾斜和旋转来确保物料的均匀加热。如图9(b)所示，在制备CVD硅碳负极材料的过程中，将多孔碳基体材料放入回转炉中，通入惰性气体并加热到500 ℃左右，引入硅烷气体进行气相沉积形成硅层，随后继续加热，通入碳源进行二次沉积形成碳层，从而制备出硅碳复合材料。回转炉作为其他工业常用的一种煅烧设备，技术成熟，运行稳定，安全性可靠，并且单机产能大，产品容易放大，燃料适应性好。但回转炉作为沉积设备容易导致沉积不均匀，硅烷利用率低，产品一致性较差，最终制备的硅碳复合材料性能较差。因此如何解决回转炉沉积过程中的均匀性也需要进一步优化。
5 总结与展望
本文系统综述了化学气相沉积法制备硅碳复合负极材料的研究进展。首先，重点探讨了不同碳基体(包括石墨、碳纳米管和多孔碳等)对硅烷沉积动力学行为的影响机制：石墨基体因其优异的导电性和结构稳定性而备受关注；碳纳米管凭借其独特的机械强度和导电网络特性展现出显著优势；多孔碳材料则因其丰富的孔隙结构和成本效益而具有重要应用价值。其次，详细分析了不同硅源材料(包括液相和气相前驱体)的特性及其对沉积过程的影响，其中着重阐述了硅烷在碳基体表面的沉积动力学机理。基于对高安全性、高能量密度储能器件的需求，本文进一步探讨了CVD法制备的硅碳复合材料在固态电池体系中的应用前景。最后，对当前工业化CVD硅碳负极材料生产装备的技术现状和发展趋势进行了评述。
近年来，第三代硅基负极技术路线利用硅烷在多孔碳上沉积的CVD法硅碳负极已逐渐趋于规模化制备和商业化应用，得到了大量新能源企业的青睐。但由于硅烷沉积的危险性，成本仍然居高不下，技术仍不够成熟，安全性问题仍然存在，因此大批量生产仍需要时间。并且在目前用于商业化的CVD硅碳负极中，硅的比例仍然很少(仅为10%左右)，远远无法满足人们对高能量密度电池的需求。因此，为了更加安全可靠地推进其商业化进程，对CVD硅碳负极提出了以下思考与展望：
（1）碳基体：鉴于新型CVD硅碳复合材料采用多孔碳作为基体材料，深入探究多孔碳的结构特性与其沉积行为之间的构效关系具有重要的科学意义。具体而言，多孔碳的关键结构参数(包括孔径分布、孔体积、开孔/闭孔比例、比表面积等)对硅烷沉积过程中的传质动力学、成核机制及沉积均匀性具有决定性影响。这些结构参数不仅影响前驱体的扩散和吸附行为，还决定了硅沉积的形貌特征和分布均匀性，因此需要从分子尺度到微观尺度进行系统的机理研究，以建立多孔碳结构参数与沉积行为之间的定量关系。研究表明，具有高比表面积、大孔体积和丰富微孔结构的多孔碳基体确实有利于硅在孔隙内部的均匀沉积，这主要归因于其提供了更多的活性位点和扩散通道。然而，值得注意的是，比表面积和孔体积等参数并非单纯追求最大化，过高的孔隙率可能导致碳骨架的结构完整性受损，具体表现为机械强度下降和体积模量降低，这些结构缺陷将直接影响材料的循环稳定性和倍率性能。因此，在实际材料设计中，需要在孔隙结构优化与机械性能保持之间寻求最佳平衡点。此外，开发低成本、高性能的多孔碳前驱体材料体系是当前研究的重点方向之一。特别是如何将生物质基和沥青基等低成本前驱体通过可控的碳化-活化工艺转化为具有适宜孔结构的多孔碳材料，这一转化过程需要精确调控热解温度、活化剂种类及工艺参数等关键因素。在实际应用中，研究者需要在碳基体选择时建立多维度的评价体系，综合考虑原料成本、结构参数(如比表面积、孔径分布、导电性等)和电化学性能之间的平衡关系，以实现材料性能与经济效益的最优化。
（2）硅沉积：在新型CVD硅碳复合材料的制备过程中，硅沉积过程与碳基体选择同等重要。尽管硅烷沉积的基本机理早在20世纪就已得到系统研究，然而针对多孔碳基体这一特殊体系，硅烷在复杂孔隙结构中的沉积机制仍存在诸多未解之谜。具体而言，在特定温度-压力条件下，硅烷裂解产物在多孔碳中的扩散动力学、吸附行为及其与孔壁的相互作用机制尚未完全阐明。特别是多孔碳的表面化学组成、缺陷结构及官能团特性如何影响硅烷的扩散和沉积行为，以及如何实现硅在孔隙内部的选择性沉积而避免表面过度沉积等问题，仍然是当前研究的重点和难点。这些基础科学问题的解决对于优化硅碳复合材料的微观结构和提升其电化学性能具有重要意义。其次，鉴于硅烷具有极高的空气敏感性和潜在的安全风险，其储存与使用过程中的安全管理体系是规模化生产必须解决的关键问题。这需要从多个层面建立完善的安全防护措施：在储存环节，需要采用特殊设计的压力容器和惰性气体保护系统；在输送过程中，应配备精确的压力控制和泄漏监测装置；在反应系统中，则需建立严格的操作规程和应急处理机制。只有构建全方位的安全保障体系，才能确保硅烷CVD工艺的工业化应用得以顺利实施。
（3）规模化制备与应用：目前，新型CVD硅碳材料的生产主要采用回转炉和流化床两种反应器系统。回转炉作为一种成熟的工业设备，具有易于放大生产的优势，但其在硅碳负极材料制备中存在明显的局限性，包括沉积均匀性欠佳、硅烷利用效率低(通常低于60%)、批次一致性差等问题。相比之下，流化床反应器虽然能够实现更高的硅烷利用效率(可达85%以上)和更均匀的沉积效果，但其在放大生产过程中面临严重的安全隐患和工艺控制难题。对于材料生产商而言，在设备选型时需要在工艺可控性、生产安全性和经济效益之间进行权衡；而对于设备制造商来说，开发兼具回转炉可靠性和流化床高效性的新型反应器系统，或通过工艺优化最大限度地发挥现有设备的优势，是推动CVD硅碳材料规模化生产的关键技术突破方向。除此之外，随着固态电池技术的快速发展，硅基负极材料在这一新兴领域展现出巨大的应用潜力。研究表明，硅基负极与固态电解质的协同效应有望显著提升电池的能量密度和安全性，这为电动汽车和规模化储能系统提供了新的解决方案。然而，不同体系的固态电解质(包括氧化物基、硫化物基和聚合物基电解质)与硅碳负极的界面相容性仍面临重大挑战：在复合方式上，需要优化电极/电解质界面的物理接触和化学稳定性；在界面特性方面，亟需深入研究固/固界面的离子传输动力学、界面应力分布及长期循环过程中的界面演化行为。这些基础科学问题的解决将为硅基负极在固态电池中的实际应用提供关键理论支撑
第一作者：邓拓（2000—），男，硕士研究生，研究方向为锂离子电池，E-mail：1281471718@qq.com；
通讯作者：周海平，副教授，研究方向为锂离子电池，E-mail：haipzhou@uestc.edu.cn。
基金信息：2023年中央在川高校院所"聚源兴川"项目，锂离子电池高容量硅基负极材料低成本制备技术成果转化（2023ZHJY0019）。
中图分类号：TM 912
文章编号：2095-4239（2025）09-3354-19
文献标识码：A
收稿日期：2025-02-22
修回日期：2025-03-19
出版日期：2025-09-28
网刊发布日期：2025-09-11
