أنود السيليكون والكربون، باعتبارها طريقًا رئيسيًا آخر للتكنولوجيا السائدة، لديها اختلافات كبيرة في عملية الإنتاج الخاصة بها مقارنة بـ أنودات السيليكون والأكسجين. The core difference lies in the preparation of nano-silicon powder and its composite method with carbon-based materials. Based on the different preparation processes, silicon-carbon anodes are mainly divided into two technical routes: the sand milling method and chemical vapor deposition (CVD). Among these, CVD is considered the most promising direction for future development.
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.
Under the high-speed rotation of the rotor structure and grinding media, particle refinement and dispersion are achieved. The grinding media typically consist of 3mm and 5mm zirconia balls, with a mass ratio of 1:1 and a material-to-media weight ratio of 3:1. The grinding time is 1 to 3 hours. After grinding, the media and materials are separated through filtration, centrifugation, or other methods to obtain the nano-silicon slurry. The disadvantages of this method are difficulty in controlling particle size, easy introduction of impurities, and the tendency for particles to agglomerate.
عملية التركيب والطلاء
The composite and coating processes are crucial for the performance of silicon-carbon anodes. An innovative method involves mixing nano-silicon, carbon aerogels, carbon nanotubes, graphite, dopants (such as hydrazine hydrate, ammonium bicarbonate, etc.), and dispersants in specific ratios (5–15:20–30:1–10:5–10:5–10:1–5:40–60). The mixture is then ultrasonically dispersed and sand milled to form a slurry. This slurry is subjected to spray drying and granulation. At the same time, it undergoes carbon coating. This results in a doped, sponge-like silicon-based anode material.
تتضمن معدات الإنتاج المتخصصة عدة وحدات:
- وحدة توصيل الملاط (مع فوهة).
- وحدة توصيل الغاز والتسخين (للغاز الخامل، وغاز الطلاء، وغاز المنشطات).
- وحدة غرفة المعالجة (للتجفيف، والتحبيب بالرش، وطلاء الكربون).
- 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
| طريقة التحضير | ميزات تقنية | المزايا | سلبيات | السيناريوهات القابلة للتطبيق |
| الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) | التحلل الحراري للسيلان وترسيبه على الكربون المسامي | إن تركيبة السيليكون والكربون محكمة، واستقرار الدورة جيد، والكفاءة الأولى عالية | السيلان له تكلفة عالية ومخاطر تتعلق بالسلامة | بطاريات طاقة عالية الجودة |
| طحن الرمل | الطحن الميكانيكي للسيليكون والجرافيت المركب | عملية بسيطة، منخفضة التكلفة، مناسبة للإنتاج الصناعي | من الصعب التحكم في حجم الجسيمات، ويسهل التكتل، ويحتوي على العديد من الشوائب | التطبيقات المتوسطة والمنخفضة |
| طريقة سول جل | مركب السيليكون والكربون من خلال عملية السول-جيل | تشتت المواد موحد، ويتم الحفاظ على السعة العالية | غلاف الكربون سهل التشقق، ومحتوى الأكسجين العالي يؤدي إلى انخفاض الكفاءة الأولية | المرحلة التجريبية |
| طريقة التحلل الحراري عالي الحرارة | التحلل عالي الحرارة لسلائف السيليكون العضوي | فراغات الكربون الكبيرة، تخفف من توسع الحجم | تشتت السيليكون الضعيف وطبقة الكربون غير المتساوية | سيناريوهات التطبيق المحددة |
| طريقة الطحن الكروي الميكانيكي | خلط القوة الميكانيكية لمواد السيليكون والكربون | عملية بسيطة، منخفضة التكلفة، عالية الكفاءة | ظاهرة التكتل الخطيرة والأداء العام | التطبيقات منخفضة التكلفة |
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.