Крэмніева-вугляродны анод, як яшчэ адзін буйны тэхналагічны маршрут, маюць значныя адрозненні ў сваім вытворчым працэсе ў параўнанні з крэмніева-кіслародныя анодыАсноўнае адрозненне заключаецца ў падрыхтоўцы нанакрэмніевага парашка і яго кампазітным метадзе з вугляроднымі матэрыяламі. У залежнасці ад розных працэсаў падрыхтоўкі, крэмніевыя-вугляродныя аноды ў асноўным падзяляюцца на два тэхнічныя шляхі: метад пясчанага памолу і хімічны Асаджэнне з паравой фазы (ХАФ). Сярод іх ХАФ лічыцца найбольш перспектыўным напрамкам будучага развіцця.
Падрыхтоўка нана-крэмніевага парашка
Падрыхтоўка нанакрышталічнага парашка з'яўляецца ключавым этапам у вытворчасці крэмніевых-вугляродных анодаў. У цяперашні час у прамысловай вытворчасці існуюць тры асноўныя метады: механічны шарыкавы млын, хімічнае асаджэнне з паравой фазы (CVD) і плазменнае выпарэнне-кандэнсацыя (PVD). Нягледзячы на тое, што метад механічнага шаровага млына просты і эканамічна эфектыўны, яго эфектыўнасць вытворчасці адносна нізкая, і ён схільны да ўнясення прымешак, што робіць яго непрыдатным для буйнамаштабнай прамысловай вытворчасці. Метад хімічнага асаджэння з паравой фазы (CVD) выкарыстоўвае сілан (SiH₄) у якасці рэакцыйнага матэрыялу, і шляхам тэрмічнага раскладання CVD атрымліваецца высокачысты нанакрышталічны парашок з памер часціц кантраляваны ў межах 20-100 нм.
Падрыхтоўка крэмніева-вугляроднага анода метадам пясчанага памолу
Метад памолу ў пясок для вытворчасці крэмніева-вугляродных анодаў з'яўляецца адносна традыцыйным. Працэс уключае ў сябе: драбненне вялікага аб'ёму крэмнію (звычайна атрыманага ў выніку трыхлорсіланавых працэсаў) у нанакрэмніевы парашок з дапамогай пясчанага млына, а затым яго злучэнне з графітавымі матэрыяламі. У працэсе памолу ў пясок крэмніевы парашок змешваецца з адпаведнай колькасцю растваральніка для ўтварэння суспензіі, якая затым падаецца ў пясчаны млын з дапамогай дыяфрагменнага помпы.
Дзякуючы хуткаму кручэнню ротара і малольнага цела з высокай хуткасцю дасягаецца здрабненне і дысперсія часціц. Малольнае цела звычайна складаецца з цырконіевых шарыкаў дыяметрам 3 мм і 5 мм з суадносінамі мас 1:1 і суадносінамі вагі матэрыялу да цела 3:1. Час драбнення складае ад 1 да 3 гадзін. Пасля драбнення цела і матэрыялы аддзяляюцца фільтраваннем, цэнтрыфугаваннем або іншымі метадамі для атрымання нанакрэмніевай суспензіі. Недахопамі гэтага метаду з'яўляюцца цяжкасці ў кантролі. памер часціц, лёгкае ўвядзенне прымешак і тэндэнцыя да агламерацыі часціц.
Працэс нанясення кампаундаў і пакрыццяў
Кампазіт і пакрыццё Працэсы маюць вырашальнае значэнне для прадукцыйнасці крэмніевых-вугляродных анодаў. Інавацыйны метад прадугледжвае змешванне нана-крэмнію, вугляродных аэрогеляў, вугляродных нанатрубак, графіту, прымешак (такіх як гідразінгідрат, бікарбанат амонія і г.д.) і дысперсантаў у пэўных суадносінах (5–15:20–30:1–10:5–10:5–10:1–5:40–60). Затым сумесь дыспергуецца ультрагукавым спосабам і здрабняецца ў пясчаным фрэзеры для ўтварэння суспензіі. Гэтая суспензія падвяргаецца распыляльнай сушцы і грануляцыі. Адначасова на яе наносіцца вугляроднае пакрыццё. У выніку атрымліваецца легаваны, падобны на губку анодны матэрыял на аснове крэмнію.
Спецыялізаванае вытворчае абсталяванне ўключае ў сябе некалькі модуляў:
- Модуль падачы пульпы (з фарсункай).
- Модуль падачы і нагрэву газу (для інертнага газу, газу для пакрыцця і легіруючага газу).
- Модуль камеры апрацоўкі (для сушкі, распыляльнай грануляцыі і нанясення вугляроднага пакрыцця).
- Модуль збору.
У працоўнай камеры знаходзяцца легіруючыя матэрыялы, такія як бікарбанат амонія, які абсталяваны перагародкай. Калі газ праходзіць праз яго, ён змешваецца з легіруючымі матэрыяламі, а затым трапляе ў працоўную прастору для дасягнення раўнамернага легіравання.
Тэрмічная апрацоўка пры высокай тэмпературы
Высокатэмпературная тэрмічная апрацоўка — яшчэ адзін ключавы этап у вытворчасці крэмніевых-вугляродных анодаў. Кампазітны матэрыял-папярэднік карбанізуецца ў інэртнай атмасферы. Тэмпература кальцынацыі звычайна складае 1000–1500°C, а працягласць — 2–5 гадзін. Гэты працэс дазваляе крыніцы арганічнага вугляроду раскласціся і ўтварыць праводную сетку. Ён таксама ўмацоўвае сувязь паміж крэмніем і вугляроднымі матэрыяламі.
Абсталяванне для тэрмічнай апрацоўкі звычайна ўяўляе сабой трубчастую або ратацыйную печ. Патрабуецца дакладны кантроль тэмпературнага профілю і складу атмасферы. Гэта неабходна для прадухілення акіслення або празмернага росту часціц крэмнію.
Каманда з Цэнтральнага Паўднёвага ўніверсітэта распрацавала тэхналогію нанакрышталічнага крэмнію з палепшанымі дэфектамі. Яны выкарыстоўваюць адходы крышталічнай крэмніевай прамысловасці і працэс тэрмічнай апрацоўкі для стварэння высокапрадукцыйных крэмніевых анодаў. Загрузка крэмнію дасягае 80 wt%.
Параўнанне асноўных метадаў падрыхтоўкі крэмніева-вугляроднага анода
| Спосаб падрыхтоўкі | Тэхнічныя характарыстыкі | Перавагі | Недахопы | Прыдатныя сцэнарыі |
| Хімічнае асаджэнне з паравой фазы (CVD) | Тэрмічнае раскладанне і адклад сілану на порысты вуглярод | Камбінацыя крэмній-вуглярод шчыльная, цыклічная стабільнасць добрая, а першапачатковая эфектыўнасць высокая. | Сілан мае высокі кошт і рызыкі бяспекі | Высокакласныя акумулятары магутнасці |
| Фрэзераванне пяску | Механічнае шліфаванне кампазіта з крэмнію і графіту | Просты працэс, нізкі кошт, падыходзіць для прамысловай вытворчасці | Цяжка кантраляваць памер часціц, лёгка агламеруюцца і шмат прымешак | Прыкладанні сярэдняга і нізкага класа |
| Золь-гель метад | Крэмній-вугляродны кампазіт, атрыманы з дапамогай золь-гель працэсу | Распаўсюджванне матэрыялу раўнамернае, падтрымліваецца высокая прапускная здольнасць | Вугляродная абалонка лёгка трэскаецца, а высокае ўтрыманне кіслароду прыводзіць да нізкай пачатковай эфектыўнасці | Эксперыментальная стадыя |
| Метад высокатэмпературнага піролізу | Высокатэмпературнае раскладанне арганакрэмніевых папярэднікаў | Вялікія вугляродныя пустэчы памяншаюць пашырэнне аб'ёму | Слабая дысперсія крэмнію і нераўнамерны вугляродны пласт | Канкрэтныя сцэнарыі прымянення |
| Механічны метад шаровага фрэзеравання | Механічнае сілавое змешванне крэмніевых і вугляродных матэрыялаў | Просты працэс, нізкі кошт, высокая эфектыўнасць | Сур'ёзная з'ява агламерацыі і агульная прадукцыйнасць | Прыкладанні нізкага класа |
Пасляапрацоўка
Этапы пасляапрацоўкі крэмніевых вугляродных анодаў ўключаюць драбненне, класіфікацыю, апрацоўку паверхні, спяканне, прасейванне і размагнічванне. У параўнанні з крэмніевых кіслароднымі анодамі, крэмніевыя вугляродныя аноды патрабуюць большай увагі да зняцця напружання пашырэння і стабільнасці павярхоўнай плёнкі SEI (мяжа цвёрдага электралітнага інтэрфазнага пласта).
Некаторыя інавацыйныя працэсы, такія як метад, прапанаваны ў патэнце CN119994008A, выкарыстоўваюць старанна распрацаванае размеркаванне памераў часціц першаснага матэрыялу на аснове крэмнію ў аноднай суспензіі. Першая часціца мае D50 3–8 мкм, другая часціца мае D50 7–12 мкм, а трэцяя часціца на аснове вугляроду мае D50 13–16 мкм. Такая канструкцыя дазваляе падрыхтаваным анодным лістам на аснове крэмнію падтрымліваць высокую цыклічную стабільнасць і шчыльнасць энергіі без неабходнасці традыцыйных працэсаў пракаткі.
Эпічны парашок
EPIC Powder знаходзіцца на пярэднім краі развіцця вытворчасці анодных матэрыялаў на аснове крэмнію. Маючы вопыт у апрацоўцы нанакрэмніевых парашкоў, кампазітных папярэднікаў і апрацоўкі вугляродных пакрыццяў, EPIC Powder добра падрыхтавана для падтрымкі расце попыту на высокапрадукцыйныя матэрыялы для акумулятараў. Па меры таго, як галіна працягвае развівацца, інавацыйныя рашэнні EPIC Powder адыгрываюць ключавую ролю ў павышэнні шчыльнасці энергіі і цыклічнай стабільнасці, спрыяючы распрацоўцы літый-іённых акумулятараў наступнага пакалення для электрамабіляў і назапашвання энергіі.