إحداث ثورة في تخزين الطاقة: عملية إنتاج ومعدات متطورة لأنودات السيليكون والأكسجين

أنودات السيليكون والأكسجين تُعدُّ الأنودات السيليكونية فرعًا هامًا من فروع الأنودات السيليكونية. تتميز عملية إنتاجها بخصائص ومتطلبات تقنية فريدة. المادة الخام الأساسية هي أول أكسيد السيليكون (SiOx)، ويشكل تحضيره ومعالجته أساس عملية الإنتاج بأكملها. أنودات السيليكون والأكسجين يمكن تصنيفها إلى ثلاثة أنواع: عادية، وما قبل المغنيسيوم، وما قبل الليثيوم. لكل نوع تركيز مختلف في عملية إنتاجه.

تحضير سلائف أول أكسيد السيليكون

يُعد تحضير سلائف أول أكسيد السيليكون (SiOx) الخطوة الأساسية في إنتاج أنودات السيليكون والأكسجين. تعتمد الطريقة الصناعية لإنتاج أول أكسيد السيليكون بشكل أساسي على التسامي عالي الحرارة. مسحوق السيليكون المُهدر للخلايا الكهروضوئية و رمل الكوارتز تُخلط بنسبة وزنية 1:1.2 إلى 2. يُوضع هذا الخليط في فرن التسامي. يعمل الفرن في بيئة مفرغة أو منخفضة الضغط (0.01-1000 باسكال). تُحافظ درجة حرارة منطقة التسخين على ما بين 1200 و1800 درجة مئوية، مما يسمح للخليط بالتفاعل وإنتاج بخار أول أكسيد السيليكون.

ينقسم فرن التسامي إلى قسمين. الجزء السفلي هو منطقة التسخين، التي تستخدم التسخين الحثي متوسط التردد أو تسخين قضبان السيليكون والموليبدينوم. أما الجزء العلوي فهو منطقة الترسيب، المزودة بصينية تجميع مبردة بالماء (درجة حرارة التكثيف من 400 إلى 800 درجة مئوية) لجمع أول أكسيد السيليكون المتسامي. تشمل المعدات الرئيسية فرن التسامي الفراغي، ونظام التفريغ، ونظام التبادل الحراري. يجب التحكم بدقة في تدرج درجة الحرارة، ومستوى التفريغ، ومعدل التكثيف، مما يضمن تجانس وتبلور أكسيد السيليكون.

بعد سحق مادة أول أكسيد السيليكون السائبة وتصنيفها، تنتقل إلى العملية التالية. تُستخدم كسارة فكية للسحق الخشن، مما يُحوّل كتل أكسيد السيليكون إلى جزيئات بحجم المليمتر. ثم، تُصنع عملية تصادم. طاحونة نفاثة الهواء يُستخدم للطحن الناعم. ينتج عن ذلك مسحوق سيليكون بحجم الميكرون D50 <10 ميكرومتر. ال طاحونة نفاثة الهواء يستخدم تيارات هوائية عالية السرعة لإحداث تصادمات بين الجسيمات. هذا يمنع التلوث الناتج عن التكسير الميكانيكي التقليدي. يجب التحكم في شدة التكسير وعدد دوراته. هذا يمنع تكون الجسيمات فائقة الدقة، والتي قد تسبب مشاكل في السيولة لاحقًا.

نظام التحبيب الثانوي

يُعد نظام التحبيب الثانوي خطوةً أساسيةً في حل مشكلة تمييع المساحيق فائقة الدقة. يُخلط مسحوق أول أكسيد السيليكون بحجم الميكرون مع محلول رابط يحتوي على الكربون (مثل بولي أكريلونيتريل، أو البوليسترين، أو بولي فينيل بيروليدون، أو كحول البولي فينيل). ثم يُحرك الخليط ويُجفف بالرش لتكوين جسيمات ثانوية ذات... حجم الجسيمات من 30 إلى 50 ميكرومتر. تُحوّل هذه العملية جزيئات أول أكسيد السيليكون من الفئة C (أقل من 10 ميكرومتر وعرضة للتكتل) إلى جزيئات من الفئة A (أعلى من 30 ميكرومتر وسهلة السيولة)، مما يُحسّن بشكل كبير من سيولة المادة.

تتضمن معدات التحبيب الثانوية بشكل رئيسي خلاطًا عالي السرعة، وبرج تجفيف بالرش، ونظام هواء ساخن. أثناء التشغيل، من الضروري التحكم في نسبة المادة الرابطة، وكثافة التحريك، ودرجة حرارة التجفيف لضمان تجانس الجسيمات وقوتها.

معالجة طلاء الكربون

الكربون طلاء المعالجة هي الخطوة الأساسية لتعزيز موصلية أنودات السيليكون-الأكسجين واستقرار دورة التفاعل. تُغذّى الجسيمات الثانوية باستمرار في مفاعل السرير المميع بواسطة وحدة تغذية لولبية. عند درجات حرارة تتراوح بين 600 و1000 درجة مئوية، تتفاعل الجسيمات مع غاز مصدر الكربون (مثل الأسيتيلين) لمدة ساعة، مما يُؤدي إلى تكوين طبقة كربونية موحدة على السطح. مفاعل السرير المميع مُجهز بسخان مسبق (درجة حرارة تسخين مسبق لا تقل عن 400 درجة مئوية) لتقليل تقلبات درجات الحرارة.

يكمن سر هذه العملية في التحكم بمعدل تدفق غاز التسييل (النيتروجين أو الأرجون)، والذي يُضبط مبدئيًا عند 8 لترات/ثانية، لضمان تمييع الجسيمات بالكامل دون أن تجرفها المياه. تُفرّغ المادة المطلية باستمرار عبر جهاز التفريغ، وتُسترد الحرارة المُهدرة عبر مبادل حراري.

أنود ما قبل المغنيسيوم-ثاني أكسيد السيليكون

بالنسبة لأنودات السيليكون والأكسجين قبل المغنيسيوم، تضيف عملية الإنتاج خطوة اختزال حراري للمغنيسيوم إلى عملية السيليكون والأكسجين الأساسية. السيليكون يُخلط السيليكون (Si) وثاني أكسيد السيليكون (SiO2) والمغنيسيوم (Mg) ويُعالَجان حراريًا في فرن عالي الحرارة. يُولِّد هذا أول أكسيد السيليكون المُشَوَّب بالمغنيسيوم، والذي يخضع بعد ذلك لعمليات تكسير وطحن وطلاء كربوني.

يساعد التنشيط بالمغنيسيوم على منع التكوين المفرط لطبقة SEI (الطور البيني للإلكتروليت الصلب)، مما يرفع كفاءة الدورة الأولى إلى حوالي 80%. ومع ذلك، فإنه يزيد من تكلفة المواد بما يتراوح بين 100,000 و200,000 يوان صيني للطن، وقد يؤثر على أداء الدورة.

أنودات السيليكون والأكسجين ما قبل الليثيوم

بالنسبة لأنودات السيليكون والأكسجين ما قبل الليثيوم، تُضاف خطوة الليثيوم بعد طلاء الكربون. يُخلط مسحوق الليثيوم أو أكسيد الليثيوم ويُلبّد. هذا يزيد من كفاءة الدورة الأولى إلى 86%-92%. مع ذلك، لا تزال تقنية ما قبل الليثيوم تواجه تحديات تتعلق بالسلامة والإنتاج واسع النطاق، ولا يزال مستوى التصنيع منخفضًا.

يجب أن تعمل معدات الليثيوم في جو خامل (مثل الأرجون). ويجب التحكم بدقة في معدل ارتفاع درجة الحرارة وتجانس الخلط. هذا يمنع ارتفاع درجة الحرارة الموضعي، والذي قد يؤدي إلى مشاكل تتعلق بالسلامة.

عمليات الإنتاج الرئيسية والمعايير الأساسية لأنودات السيليكون والأكسجين

الخطوة الأخيرة في إنتاج أنودات السيليكون-الأكسجين هي المعالجة اللاحقة. وتشمل هذه المعالجة التكسير، والغربلة، وإزالة المغناطيسية، والتغليف. وتشبه هذه الخطوات خطوات مواد الأنود التقليدية. ويجب إيلاء اهتمام خاص لقابلية المواد القائمة على السيليكون للرطوبة وحساسيتها للأكسدة. وعادةً ما تُجرى العمليات في جو جاف أو بيئة مفرغة من الهواء.

طوال عملية الإنتاج، يراقب نظام جمع البيانات والتحكم ويضبط المعلمات آنيًا. تشمل هذه المعلمات درجة الحرارة والضغط ومعدل التدفق، مما يضمن استقرار العملية وتناسق المنتج.

مسحوق ملحمي

تُعد شركة EPIC Powder رائدة في تطوير إنتاج مواد الأنود القائمة على السيليكون. بفضل خبرتها في معالجة مساحيق السيليكون النانوية، والمواد الأولية المركبة، ومعالجات طلاء الكربون، تتمتع EPIC Powder بخبرة واسعة في تلبية الطلب المتزايد على مواد البطاريات عالية الأداء. ومع استمرار تطور الصناعة، تلعب حلول EPIC Powder المبتكرة دورًا رئيسيًا في تعزيز كثافة الطاقة واستقرار الدورة، مما يُسهم في تطوير الجيل القادم من بطاريات الليثيوم أيون للسيارات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة.