ما هي عملية الإنتاج والمعدات لمادة أنود السيليكون والكربون؟

أنود السيليكون والكربون، باعتبارها طريقًا رئيسيًا آخر للتكنولوجيا السائدة، لديها اختلافات كبيرة في عملية الإنتاج الخاصة بها مقارنة بـ أنودات السيليكون والأكسجينيكمن الاختلاف الجوهري في تحضير مسحوق السيليكون النانوي وطريقة تركيبه باستخدام مواد كربونية. بناءً على عمليات التحضير المختلفة، تُقسم أنودات السيليكون والكربون بشكل رئيسي إلى طريقتين تقنيتين: طريقة طحن الرمل وطريقة المواد الكيميائية الترسيب البخاري (CVD). ومن بين هذه التقنيات، يُعتبر الترسيب البخاري أكثر الاتجاهات الواعدة للتطوير المستقبلي.

تحضير مسحوق السيليكون النانوي

يُعد تحضير مسحوق السيليكون النانوي الخطوة الأساسية في إنتاج أنودات السيليكون والكربون. يوجد حاليًا ثلاث طرق رئيسية في الإنتاج الصناعي: الميكانيكية طحن الكراتالترسيب الكيميائي للبخار (CVD)، والتكثيف البلازمي بالتبخير (PVD). على الرغم من بساطة طريقة الطحن الكروي الميكانيكية وفعاليتها من حيث التكلفة، إلا أن كفاءتها الإنتاجية منخفضة نسبيًا، كما أنها عرضة لإدخال الشوائب، مما يجعلها غير مناسبة للإنتاج الصناعي واسع النطاق. تستخدم طريقة الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) السيلان (SiH₄) كمادة تفاعل، ومن خلال التحلل الحراري بالبخار الكيميائي، يُنتج مسحوق نانو سيليكون عالي النقاء، مع حجم الجسيمات قابلة للتحكم بين 20-100 نانومتر.

تحضير أنود السيليكون والكربون عن طريق طحن الرمل

طريقة طحن الرمل لإنتاج أنود السيليكون والكربون تقليدية نسبيًا. تتضمن العملية طحن السيليكون السائب (المُستخرج عادةً من عمليات ثلاثي كلورو السيلان) إلى مسحوق نانوي سيليكون باستخدام مطحنة رمل، ثم خلطه مع مواد الجرافيت. في عملية طحن الرمل، يُخلط مسحوق السيليكون بكمية مناسبة من المذيب لتكوين عجينة، تُنقل بعد ذلك إلى مطحنة الرمل عبر مضخة غشائية.

بفضل الدوران عالي السرعة لهيكل الدوار ووسائط الطحن، يتم تحسين الجسيمات وتشتيتها. تتكون وسائط الطحن عادةً من كرات زركونيا بقطر 3 مم و5 مم، بنسبة كتلة 1:1 ونسبة وزن المادة إلى الوسيط 3:1. يستغرق وقت الطحن من ساعة إلى ثلاث ساعات. بعد الطحن، تُفصل الوسائط والمواد بالترشيح أو الطرد المركزي أو بطرق أخرى للحصول على عجينة السيليكون النانوية. من عيوب هذه الطريقة صعوبة التحكم. حجم الجسيمات، سهولة إدخال الشوائب، وميل الجسيمات إلى التكتل.

عملية التركيب والطلاء

المركب و طلاء عمليات التكسير بالغة الأهمية لأداء أنودات السيليكون والكربون. تتضمن إحدى الطرق المبتكرة خلط السيليكون النانوي، والهلام الهوائي الكربوني، وأنابيب الكربون النانوية، والجرافيت، والمواد المحفزة (مثل هيدرات الهيدرازين، وبيكربونات الأمونيوم، إلخ)، والمشتتات بنسب محددة (5-15:20-30:1، 10:5، 10:5، 10:1، 5:40-60). بعد ذلك، يُشتت الخليط بالموجات فوق الصوتية ويُطحن بالرمل لتكوين عجينة. تُجفف هذه العجينة بالرش والتحبيب، وفي الوقت نفسه، تُغطى بالكربون. ينتج عن ذلك مادة أنود مصنوعة من السيليكون المحفز، تشبه الإسفنج.

تتضمن معدات الإنتاج المتخصصة عدة وحدات:

1. وحدة توصيل الملاط (مع فوهة).
2. وحدة توصيل الغاز والتسخين (للغاز الخامل، وغاز الطلاء، وغاز المنشطات).
3. وحدة غرفة المعالجة (للتجفيف، والتحبيب بالرش، وطلاء الكربون).
4. وحدة التجميع.

تحتوي حجرة المعالجة على مواد مُشَوِّبة، مثل بيكربونات الأمونيوم، وهي مُزوَّدة بحاجز. عند مرور الغاز، يمتزج بمواد التشويب، ثم يدخل إلى حجرة المعالجة لتحقيق تشويب مُنتظم.

المعالجة الحرارية عالية الحرارة

تُعدّ المعالجة الحرارية عالية الحرارة خطوةً أساسيةً أخرى في إنتاج أنود السيليكون والكربون. تُكربن المادة الأولية المركبة في جوٍّ خامل. تتراوح درجة حرارة التكليس عادةً بين 1000 و1500 درجة مئوية، وتستغرق من ساعتين إلى خمس ساعات. تسمح هذه العملية لمصدر الكربون العضوي بالتحلل وتكوين شبكة موصلة. كما تُعزز الترابط بين مواد السيليكون والكربون.

عادةً ما تكون معدات المعالجة الحرارية عبارة عن فرن أنبوبي أو فرن دوار. يتطلب الأمر تحكمًا دقيقًا في درجة الحرارة والتركيب الجوي. هذا ضروري لمنع أكسدة جزيئات السيليكون أو نموها المفرط.

طوّر فريق من جامعة سنترال ساوث تقنية سيليكون نانوي بلوري مُحسّن للعيوب. يستخدم الفريق نفايات صناعة السيليكون البلوري وعملية معالجة حرارية لإنتاج أنودات سيليكون عالية الأداء. يصل حمل السيليكون إلى 80 طنًا من الوزن الصافي (wt%).

مقارنة بين طرق التحضير الرئيسية لأنود السيليكون والكربون

مرحلة ما بعد المعالجة

تشمل خطوات ما بعد المعالجة لأنودات السيليكون والكربون التكسير، والتصنيف، ومعالجة السطح، والتلبيد، والغربلة، وإزالة المغناطيسية. بالمقارنة مع أنودات السيليكون والأكسجين، تتطلب أنودات السيليكون والكربون اهتمامًا أكبر بتحرير إجهاد التمدد واستقرار طبقة SEI (الطور البيني للإلكتروليت الصلب) السطحية.

تستخدم بعض العمليات المبتكرة، مثل الطريقة المقترحة في براءة الاختراع CN119994008A، توزيعًا دقيقًا لحجم الجسيمات لجسيمات المادة الأولية القائمة على السيليكون في خليط الأنود. يتراوح حجم D50 للجسيم الأول بين 3 و8 ميكرومتر، بينما يتراوح حجم D50 للجسيم الثاني بين 7 و12 ميكرومتر، بينما يتراوح حجم D50 للجسيم الثالث القائم على الكربون بين 13 و16 ميكرومتر. يسمح هذا التصميم لصفائح الأنود المُجهزة القائمة على السيليكون بالحفاظ على استقرار عالٍ للدورة وكثافة طاقة عالية دون الحاجة إلى عمليات الدرفلة التقليدية.

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 وتخزين الطاقة.