2025年，溧阳紫宸新材料科技有限公司向国家知识产权局提交了一项名为“一种硅碳负极材料及其制备方法和锂离子电池”的专利申请。这项专利的核心创新点直指硅碳负极的两大痛点：体积膨胀和导电性差。
在专利摘要中，工程师们描述了一种四层结构的硅碳负极材料：硅纳米颗粒填充于多孔碳骨架孔隙中，表面覆盖无定型炭层，最外层则垂直生长着碳纳米管阵列或石墨烯阵列。
这种设计让锂离子电池的“短板”材料获得突破——抗压强度和电导率得到提升，循环膨胀率降低，电池循环寿命和倍率性能同步提高。
四层铠甲：专利中的结构精妙设计
溧阳紫宸的专利提供了一种四层复合结构的硅碳负极材料设计，如同为硅纳米颗粒建造了一座“抗压公寓”。
第一层：多孔碳骨架
专利中的多孔碳骨架类似蜂巢结构，其孔隙成为硅纳米颗粒的“专属房间”。这种设计借鉴了多孔碳材料的研究成果——孔径小于3nm的微孔占比超85%时，能有效提高载硅效率，并为硅膨胀预留空间。
第二层：硅纳米颗粒
填充在孔隙中的硅纳米颗粒直径控制在0.5-80nm范围内。纳米化使硅颗粒比表面积增大，缩短锂离子扩散路径，同时减小绝对膨胀量。
第三层：无定型炭层
覆盖在多孔碳骨架表面的无定型炭层厚约10-50nm，如同给建筑外墙刷上防水涂料。该层隔绝电解液与硅的直接接触，减少副反应发生，同时约束内部硅颗粒的膨胀方向。
第四层：垂直阵列结构
最外层的碳纳米管阵列或石墨烯阵列垂直生长于无定型炭层表面。这些排列整齐的纳米管犹如“钢筋网”，提供抗拉强度；又似“电子高速路”，构建立体导电网络。
与传统硅碳复合材料相比，这种结构实现多重保护：多孔碳骨架从内部缓冲体积膨胀，无定型炭层提供界面稳定，而垂直阵列则从外部增强整体结构并提升导电性。
垂直阵列：导电强化与机械支撑的“双料冠军”
专利中最具创新性的设计当属表面垂直生长的碳纳米管/石墨烯阵列。这些直径不足头发丝万分之一的纳米结构，成为提升硅碳负极性能的关键。
导电网络升级：
传统硅碳复合材料依赖无定型碳提供导电性，但其电导率通常低于10S/m。碳纳米管的加入使电导率跃升至超过100S/m，提升一个数量级。垂直排列的阵列结构构建三维导电网络，使电子传输路径从平面走向立体。
力学性能突破：
碳纳米管具有超高抗拉强度（约200GPa）和弹性模量，在硅膨胀时发挥“钢筋骨架”作用。实验数据显示，添加碳纳米管后，硅碳复合材料的抗压强度提升50%以上，有效防止循环过程中的结构坍塌。
膨胀应力分散：
阵列结构的多孔特性允许一定程度的体积变化，同时将局部应力分散到整个网络。专利数据显示，该设计使体积膨胀率降低至5%以下，远低于常规硅碳材料的20%-30%膨胀率。
离子传输优化：
阵列间的纳米间隙形成离子传输通道。华东理工大学研究团队曾观察到类似效应——含碳纳米管的硅碳复合材料在1A/g电流密度下循环300次后，容量保持率仍达86%。
华为2025年专利也采用多孔碳与硅复合思路，但未涉及垂直阵列结构。而溧阳紫宸通过这种设计，实现硅碳材料抗压与导电性能的协同提升，解决了“增强导电性需高密度碳层，缓冲膨胀需多孔结构”的矛盾。
路线对比：多孔碳结构设计的“百家争鸣”
在硅碳负极研发竞技场中，多孔碳基体设计呈现出技术路线多元化态势。各家企业基于对“孔结构”的理解，开发出特色鲜明的解决方案。
孔径分布控制派：
江西紫宸科技提出“栾型分布”多孔碳——孔径1-3nm区间的微分孔容dV/dW＞0.05cm³·g⁻¹·nm⁻¹，且微孔孔容占比超85%。这种设计确保高载硅效率同时降低离子传输阻力，使硅碳负极膨胀率降低30%以上。
梯度包覆派：
宁波容百新能源采用“内核-硅层-碳层”梯度结构，外层硅层厚度仅占材料半径的0.1%-15%。精密控制使体积膨胀率低于5%，硅含量提升至30%-60%，容量较传统石墨提升3倍。
结晶调控派：
宁德时代另辟蹊径，控制硅颗粒结晶度≥90%且晶粒尺寸<4nm。纳米晶硅与多孔碳复合后，首次库伦效率达92%，循环100次容量保持率85%。
气相沉积派：
内蒙古硅源新能采用清华大学流化床包裹技术，通过化学气相沉积（CVD）在碳骨架上生长硅颗粒。该技术被应用于世界首个万吨级硅碳负极项目，计划2025年三季度试生产。
总结
溧阳紫宸的垂直阵列路线在综合性能上展现独特优势：既保持多孔碳的高载硅能力，又通过外部阵列提升导电性；既利用碳层缓冲膨胀，又借助阵列分散应力。专利数据显示，该设计使硅含量达10%-70%，循环寿命延长至500次以上，倍率性能提升40%。
垂直阵列的多孔碳骨架如同为硅颗粒建造的微型体育场：看台（多孔碳）承载观众（硅颗粒），顶棚（无定型碳层）遮风挡雨，而支撑屋顶的钢架（碳纳米管阵列）既确保结构稳固，又形成立体交通网。
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