硅碳负极：单原子锚定多孔硅—德方纳米新专利突破电池负极技术(硅碳负极工艺)

2025年9月30日，德方纳米获得了一项名为“负载单原子的多孔硅基负极材料及其制备方法和应用”的发明专利授权，这一技术通过材料结构的多重创新设计，为破解硅基负极的应用难题提供了新的解决方案。

市场背景：硅基负极的机遇与挑战

随着全球能源结构转型加速，锂离子电池作为高效储能载体，其能量密度提升成为研究焦点。

硅材料理论容量高达4200mAhg-1，是现有石墨负极（372mAhg-1）的十倍以上，被视为下一代负极材料的理想选择。

然而，硅材料在充放电过程中存在超过300%的体积膨胀，导致电极结构破碎、固体电解质界面（SEI）不稳定及容量迅速衰减。

此外，硅的本征电导率低（约10-3Scm-1）也制约了其倍率性能的实现。

德方纳米此次获得的专利，正是针对这些行业共性难题提出的创新解决方案。

技术细节：多尺度结构设计破解行业难题

专利数据显示，该负载单原子的多孔硅基负极材料包含两大核心组成部分：硅基碳纳米片和负载在其上的金属单原子。

多维结构协同增效

其中，硅基碳纳米片又由多孔硅基纳米片和包覆在其表面的碳材料组成。

这种多层级结构设计展现了材料『工程师』的精巧构思：

多孔二维纳米片：为离子的沉积提供了更充足的空间，缓解了锂离子嵌入脱出产生的应力。

碳包覆层：具有优异导电性能，既能提高硅基负极材料的电导率，又能进一步优化和缓解充放电过程中硅基材料的体积膨胀问题。

金属单原子：锚定在硅基碳纳米片上，能够进一步提升硅基负极材料的电导率。

三维结构与单原子催化

这一设计的创新之处在于，它同时解决了硅基负极材料的多个关键问题。

多孔结构为体积膨胀预留了空间，碳包覆提高了导电性，而金属单原子的引入则进一步优化了界面电子传输特性。

从某种意义上说，这种材料结构就像一栋设计精良的多层停车场：多孔硅基纳米片提供了充足的停车空间，碳包覆层确保了车辆进出的顺畅通道，而金属单原子则像高效的交通指挥员，引导车辆快速找到停车位。

性能提升：全方位优化电池性能

该专利材料的多重结构设计，有效改善了硅基负极材料在二次电池应用中的多项关键性能指标。

提升首效与循环稳定性

在电池性能方面，首次充电比容量和库伦效率是衡量负极材料性能的两个关键参数。

硅基材料由于巨大的比表面积和复杂的SEI形成过程，通常首次库伦效率偏低，而德方纳米的这一技术方案通过多孔结构和碳包覆的协同作用，有望显著改善这一问题。

循环稳定性是硅基负极产业化面临的另一大挑战。

传统硅材料在多次充放电后，因反复的体积变化而导致结构坍塌，容量迅速衰减。

而该专利中的多孔二维纳米片状结构和碳包覆层，共同为材料提供了优异的力学稳定性，从而延长了电池的使用寿命。

优化导电网络

在电导率方面，碳材料和金属单原子的双重引入，构建了高效的三维导电网络。

金属单原子作为催化中心，可能进一步促进了离子/电子在界面的传输动力学，从而提升了材料的倍率性能。

研发投入：持续创新驱动技术突破

德方纳米在电池材料领域的专利布局并非一朝一夕之功。『天眼查APP』数据显示，截至2025年9月，德方纳米共拥有专利信息289条，仅2025年以来就新获得16个专利授权，较去年同期增加了77.78%。

研发投入方面，根据公司2025年中报财务数据，今年上半年公司在研发上投入了1.02亿元。

尽管同比有所减少，但专利产出却大幅增加，这表明公司的研发效率正在提升。

德方纳米对外投资了15家企业，参与招投标项目9次，展现了其在产业链布局上的积极态势。

技术演进：硅基负极的持续创新

从德方纳米的历史专利来看，该公司在硅基负极领域的技术积累已有多年。

2025年，公司就申请了“硅基负极材料及其制备方法和锂离子电池”专利，该材料为核壳结构，包括核体、内壳层和外壳层。

内壳层中分布有微孔结构，材料含有镁元素，外壳层则为碳材料。

2025年3月公开的“复合硅基负极材料及其制备方法和锂离子电池”专利中，德方纳米同样采用了核壳结构设计，不同的是第一壳层的材料为预锂化材料，第二壳层的材料为碳。

这一设计显著提高了材料的首次库伦效率。

2025年3月，德方纳米还获得了“复合硅基材料及其制备方法和应用”专利授权。

该材料包括硅基本体和导电碳层，两者之间形成有缓冲空间，能够有效缓解复合硅基材料在储锂过程中的形变效应。

从最初的核壳结构，到缓冲空间设计，再到如今的负载单原子多孔硅基材料，可以看出德方纳米在硅基负极技术上的持续创新路径：从单一结构设计到多级结构协同，从宏观尺度控制到原子级别调控。

制备方法：创新工艺支撑材料突破

虽然该专利的制备方法细节尚未完全公开，但从专利摘要可以看出，这一“负载单原子的多孔硅基负极材料”已具备成熟的制备工艺。

制备方法的可靠性和可放大性是材料能否产业化的关键。

德方纳米在之前的“复合硅基材料”专利中就曾强调，其制备方法能够保证材料性能稳定，效率高，并节约生产成本。

我们有理由相信，这一新专利的制备方法也考虑了产业化生产的可行性和经济性。

应用前景：推动二次电池性能升级

该专利明确提到了这种负载单原子的多孔硅基负极材料在二次电池中的应用。

随着全球电动汽车市场的快速扩张和储能需求的持续增长，高性能锂离子电池的市场需求日益迫切。

硅基负极材料的成功产业化，将直接影响电动汽车的续航里程、充电速度和使用寿命。

对于储能电池而言，长循环寿命和高安全性更是核心要求。

德方纳米的这项技术，如能顺利实现规模化生产和商业化应用，将有力推动高性能锂离子电池的发展。

硅基负极材料的突破，将成为打破当前锂电池能量密度瓶颈的关键一环。

德方纳米在电池材料领域的技术布局并未止步。

根据华创证券的研究报告，公司目前已建成11万吨/年磷酸锰铁锂产能，是目前已建成规模最大的磷酸锰铁锂产能，同时还建成了5000吨/年补锂增强剂产能。

这些布局与硅基负极技术一起，共同构成了德方纳米在先进电池材料领域的技术矩阵。

电池技术的进步如同攀登一座没有顶峰的山峰，每一次突破都只是新征程的起点。德方纳米的新专利，正为后续攀登者标定了一个新的高度。

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