في عملية الإنتاج أنود قائم على السيليكون يؤثر اختيار وتكوين المعدات الخاصة بشكل مباشر على جودة المنتج وكفاءة الإنتاج. بالمقارنة مع إنتاج الأقطاب السالبة التقليدية من الجرافيت، تتميز معدات إنتاج الأقطاب السالبة القائمة على السيليكون بمتطلبات تقنية أعلى، كما تتميز بدقة تحكم أعلى. تتميز الأقطاب السالبة القائمة على السيليكون والأكسجين والسيليكون والكربون بخصائص عملية مختلفة، كما تختلف معداتها الأساسية إلى حد ما. ولكن يمكن مشاركة بعض المعدات العامة. فيما يلي تفاصيل المعدات والخصائص التقنية الرئيسية لإنتاج الأقطاب السالبة القائمة على السيليكون.
نظام فرن التسامي
يُعدّ نظام فرن التسامي الجهاز الأساسي لتحضير سلائف أنود أكسيد السيليكون. ويُستخدم بشكل أساسي في تصنيع أول أكسيد السيليكون (SiOx). تعتمد أفران التسامي الحديثة عادةً تصميمًا رأسيًا. وهي مقسمة إلى منطقتين وظيفيتين: منطقة التسخين السفلية ومنطقة الترسيب العلوية. تستخدم منطقة التسخين التسخين الحثي متوسط التردد أو تسخين قضبان السيليكون والموليبدينوم. تتراوح درجات الحرارة بين 1200 و1800 درجة مئوية. تحتوي منطقة الترسيب على صينية تجميع مبردة بالماء. يتحكم نظام تبادل حراري في درجة حرارة التكثيف، التي تتراوح بين 400 و800 درجة مئوية. يعمل فرن التسامي في بيئة مفرغة أو منخفضة الضغط (0.01-1000 باسكال). ويتطلب نظام مضخة تفريغ عالية الأداء ونظامًا للتحكم في الضغط. تتكامل أفران التسامي المتقدمة مع أنظمة مراقبة إلكترونية. تراقب هذه الأنظمة توزيع درجة الحرارة ومعدلات التسامي آنيًا، مما يضمن اتساق واستقرار تركيبة أكسيد السيليكون.
معدات تحضير السيليكون النانوي
تُعد معدات المواد المركبة والتشتيت أساسيةً في الأنود السيليكوني. وتشمل هذه المعدات خلاطات عالية السرعة، ومطاحن حبيبات، وأنظمة تشتيت بالموجات فوق الصوتية. تُستخدم مطاحن حبيبات أفقية عادةً في عملية طحن الحبيبات، وهي مُجهزة بوسائط طحن من الزركونيا أو كربيد التنغستن (مزيج من 3 مم و5 مم). يتم التحكم بدقة في شدة الطحن ووقته بناءً على خصائص المادة. تجمع شركة شنغهاي شانشان للتكنولوجيا بشكل مبتكر بين التشتيت بالموجات فوق الصوتية وطحن الحبيبات. يستخدم هذا المزيج معالجة مسبقة بالموجات فوق الصوتية قابلة للتعديل لتفتيت تكتلات الجسيمات. بعد ذلك، يُحسّن طحن الحبيبات من جودة الجسيمات، مما يُحسّن التشتيت بشكل كبير.
معدات المركبات والتشتت
تُعد معدات المواد المركبة والتشتيت أساسيةً للأقطاب الموجبة المصنوعة من السيليكون. وتشمل هذه المعدات خلاطات عالية السرعة، ومطاحن حبيبات، وأنظمة تشتيت بالموجات فوق الصوتية. تُستخدم مطاحن حبيبات أفقية عادةً في عملية طحن الحبيبات، وهي مُجهزة بوسائط طحن من الزركونيا أو كربيد التنغستن (مزيج من 3 مم و5 مم). ويتم التحكم بدقة في شدة ووقت الطحن بناءً على خصائص المادة.
معدات التحبيب والتجفيف
تُحوّل معدات التحبيب والتجفيف مسحوق السيليكون النانوي أو أول أكسيد السيليكون إلى جسيمات ثانوية لمزيد من المعالجة. تُعد مجففات الرش أكثر معدات التحبيب شيوعًا. تُحوّل هذه المجففات معجون السيليكون الممزوج بالمواد الرابطة إلى قطرات صغيرة. يُجفف الهواء الساخن القطرات بسرعة إلى جسيمات. يستخدم نظام التحبيب الثانوي، الذي طوره معهد أبحاث، رذاذات مُصممة خصيصًا وأنظمة تدوير الهواء الساخن. تُنتج هذه الأنظمة جسيمات موحدة في نطاق 30-50 ميكرومتر، مما يُحسّن سيولة المساحيق فائقة الدقة. بالنسبة للأنظمة القائمة على المذيبات، يُمكن أيضًا استخدام مجففات التفريغ أو مجففات الأقراص. يجب توخي الحذر لمنع مشاكل الانفجار واستعادة المذيبات. تجمع وحدات تجفيف التحبيب ذات الطبقة المميعة الجديدة بين تقنيات التسييل والرش. توفر هذه الأنظمة كفاءة تحبيب أعلى وقوة جسيمات أفضل. يتم تطبيقها تدريجيًا في إنتاج الأنود عالي الجودة القائم على السيليكون.
معدات الطلاء والمعالجة الحرارية
طلاء تُحسّن معدات المعالجة الحرارية الأداء الكهروكيميائي للأنودات القائمة على السيليكون. ويشمل ذلك أنظمة الترسيب الكيميائي البخاري بالسرير المميع، والأفران الدوارة، والأفران الأنبوبية. يُعدّ مفاعل السرير المميع مثاليًا لطلاء أنودات أكسيد السيليكون بالكربون. من خلال التحكم الدقيق في سرعة غاز التسييل (الإعداد الأولي 8 لتر/ثانية) ودرجة الحرارة (600-1000 درجة مئوية)، يتم ترسيب طبقة كربون موحدة. تحتوي أنظمة السرير المميع المتقدمة على سخانات مسبقة (درجة حرارة التسخين المسبق ≥400 درجة مئوية) ومبادلات حرارية. تُقلل هذه الأنظمة من استهلاك الطاقة وتقلل من تقلبات درجات الحرارة. تُستخدم الأفران الدوارة أو أفران الألواح الدافعة لمعالجة الكربنة لأنودات السيليكون والكربون. يتراوح نطاق درجة الحرارة عادةً بين 1000 و1500 درجة مئوية، مع مدة معالجة تتراوح بين ساعتين وخمس ساعات.
معدات ما بعد العلاج
تشمل معدات ما بعد المعالجة ما يلي: سحق, تصنيف, معالجة السطحوأجهزة التعبئة والتغليف. تُعدّ مطاحن تدفق الهواء من المعدات الرئيسية للطحن فائق الدقة. تستخدم هذه المطاحن تصميمًا من نوع التصادم لتجنب تلوث المعادن. تُسحق المواد إلى الدرجة المطلوبة. حجم الجسيمات (عادةً D50 <10 ميكرومتر). يستخدم نظام التصنيف مُصنِّفات تدفق الهواء لتصنيف دقيق بناءً على ديناميكا الهواء للجسيمات. تشمل معدات معالجة الأسطح خلاطات التعديل وآلات الطلاء. تُضيف هذه الأجهزة طلاءات وظيفية إلى المواد القائمة على السيليكون. تُزيل الفواصل المغناطيسية الشوائب المعدنية المُدخلة أثناء تحضير المواد الخام أو إنتاجها. تستخدم هذه الفواصل عادةً فصلًا مغناطيسيًا عالي التدرج متعدد المراحل. تعمل معدات التعبئة والتغليف في جو جاف أو بيئة مفرغة من الهواء، مما يمنع المواد القائمة على السيليكون من امتصاص الرطوبة والأكسدة.
نظام التحكم الآلي
يُعد نظام التحكم الآلي المحور الرئيسي لخطوط إنتاج الأنودات الحديثة القائمة على السيليكون. فهو يُنسّق التحكم في مختلف العمليات ويجمع البيانات. تتضمن أنظمة التحكم التقليدية وحدات للتحكم في درجة الحرارة والتدفق. تراقب هذه الوحدات المعلمات الرئيسية، مثل درجة حرارة التفاعل في فرن التسامي، ودرجة حرارة الترسيب في منطقة الترسيب، ودرجة حرارة التفاعل في الطبقة المميعة، ودرجة حرارة التسخين المسبق. كما يجمع النظام بيانات الإنتاج، مثل إنتاج فرن التسامي، ومدخلات مواد الطبقة المميعة، وتدفق الغاز، ومخرجاته. تُستخدم هذه البيانات لتحسين العملية وتمكين تتبع الجودة. تُطبّق المصانع المتقدمة أنظمة تنفيذ التصنيع (MES) وتقنيات الإنترنت الصناعية. تتيح هذه التقنيات الإدارة الرقمية والذكية لعملية الإنتاج بأكملها.
| نوع المعدات | الوظيفة الرئيسية | المعايير الفنية الرئيسية |
| نظام فرن التسامي | تخليق وترسيب SiOx | درجة الحرارة 1200-1800 درجة مئوية، الضغط 0.01-1000 باسكال |
| معدات ترسيب البخار الكيميائي للسيليكون النانوي | تحضير مسحوق السيليكون النانوي | تحلل السيلان، حجم الجسيمات 20-100 نانومتر |
| معدات PVD السيليكون النانوي | تحضير السيليكون النانوي عالي النقاء | تكثيف تبخر البلازما، حجم الجسيمات <100 نانومتر |
| نظام تشتيت طاحونة الرمل | مركب السيليكون والكربون والتكرير | وسائط الطحن 3/5 مم، الوقت 1-3 ساعات |
| برج التحبيب بالرش | تحضير الجسيمات الثانوية | حجم الجسيمات 30-50 ميكرومتر |
| نظام الترسيب الكيميائي البخاري باستخدام السرير المميّع | معالجة طلاء الكربون | درجة الحرارة 600-1000 درجة مئوية، سرعة الغاز 8 لتر/ثانية |
| فرن التلبيد لحماية الغلاف الجوي | المعالجة الحرارية بالكربنة | درجة الحرارة 1000-1500 درجة مئوية، الوقت 2-5 ساعات |
| نظام الطحن والتصنيف باستخدام نفث الهواء | تصنيف فائق الدقة وتصنيفها | D50<10μm، تصنيف متعدد المستويات |
خاتمة
تشهد صناعة الأنودات القائمة على السيليكون تطورًا سريعًا، حيث تتطور معدات إنتاجها نحو نطاق أوسع، وتشغيل مستمر، وأتمتة. على سبيل المثال، تُستبدل أفران التسامي التقليدية القائمة على الدفعات بتصاميم التغذية المستمرة. يتم ربط عدة أسِرّة مميعة على التوالي، مما يحقق طلاءً متسلسلًا لطبقات وظيفية مختلفة. كما تُطبق تقنية الذكاء الاصطناعي، التي تُحسّن معايير العملية وتتنبأ بالجودة. ستعزز هذه التطورات التكنولوجية كفاءة إنتاج الأنودات القائمة على السيليكون، كما ستُحسّن اتساق المنتج وتنافسيته من حيث التكلفة، مما يُسرّع تطبيقها على نطاق واسع في مجالات بطاريات الطاقة عالية الأداء.