Ánodo de silicio-carbono, como otra importante ruta tecnológica convencional, tienen diferencias significativas en su proceso de producción en comparación con ánodos de silicio y oxígenoLa principal diferencia radica en la preparación del polvo de nanosilicio y su método de combinación con materiales a base de carbono. Según los diferentes procesos de preparación, los ánodos de silicio-carbono se dividen principalmente en dos rutas técnicas: el método de molienda en arena y... químico Deposición de vapor (CVD). Entre estos, la CVD se considera la dirección más prometedora para el desarrollo futuro.
Preparación de polvo de nanosilicio
La preparación del polvo de nanosilicio es el paso clave en la producción de ánodos de silicio-carbono. Actualmente, existen tres métodos principales en la producción industrial: mecánicos. molienda de bolas, deposición química en fase de vapor (CVD) y condensación por evaporación de plasma (PVD). Si bien el método de molienda mecánica de bolas es simple y rentable, su eficiencia de producción es relativamente baja y es propenso a la introducción de impurezas, lo que lo hace inadecuado para la producción industrial a gran escala. El método de deposición química en fase de vapor (CVD) utiliza silano (SiH₄) como material de reacción y, mediante la descomposición térmica por CVD, se produce polvo de nanosilicio de alta pureza. tamaño de partícula controlable entre 20-100 nm.
Preparación de ánodo de silicio-carbono mediante molienda con arena
El método de molienda en arena para la producción de ánodos de silicio-carbono es relativamente tradicional. El proceso consiste en moler silicio a granel (generalmente obtenido mediante procesos con triclorosilano) para obtener nanopolvo de silicio mediante un molino de arena y, posteriormente, mezclarlo con materiales de grafito. En el proceso de molienda en arena, el polvo de silicio se mezcla con una cantidad adecuada de disolvente para formar una suspensión, que posteriormente se suministra al molino de arena mediante una bomba de diafragma.
Gracias a la rotación a alta velocidad de la estructura del rotor y los medios de molienda, se logra el refinamiento y la dispersión de las partículas. Los medios de molienda suelen consistir en bolas de zirconio de 3 mm y 5 mm, con una relación de masa de 1:1 y una relación de peso entre el material y el medio de 3:1. El tiempo de molienda es de 1 a 3 horas. Tras la molienda, los medios y los materiales se separan mediante filtración, centrifugación u otros métodos para obtener la suspensión de nanosilicio. Las desventajas de este método son la dificultad de control. tamaño de partícula, la fácil introducción de impurezas y la tendencia de las partículas a aglomerarse.
Proceso de compuesto y recubrimiento
El compuesto y revestimiento Los procesos son cruciales para el rendimiento de los ánodos de silicio-carbono. Un método innovador consiste en mezclar nanosilicio, aerogeles de carbono, nanotubos de carbono, grafito, dopantes (como hidrato de hidracina, bicarbonato de amonio, etc.) y dispersantes en proporciones específicas (5-15:20-30:1-10:5-10:5-10:1-5:40-60). A continuación, la mezcla se dispersa ultrasónicamente y se muele con arena para formar una suspensión. Esta suspensión se somete a secado por aspersión y granulación. Simultáneamente, se somete a un recubrimiento de carbono. Esto da como resultado un material anódico dopado, esponjoso y de silicio.
El equipo de producción especializado incluye varios módulos:
- Un módulo de suministro de lodo (con boquilla).
- Un módulo de suministro y calentamiento de gas (para gas inerte, gas de recubrimiento y gas de dopaje).
- Un módulo de cámara de procesamiento (para secado, granulación por aspersión y recubrimiento de carbono).
- Un módulo de colección.
La cámara de procesamiento contiene materiales dopantes, como bicarbonato de amonio, y está equipada con un deflector. Al pasar el gas, se mezcla con los materiales dopantes y entra en el espacio de procesamiento para lograr un dopaje uniforme.
Tratamiento térmico de alta temperatura
El tratamiento térmico a alta temperatura es otro paso clave en la producción de ánodos de silicio-carbono. El material precursor compuesto se carboniza en una atmósfera inerte. La temperatura de calcinación suele ser de 1000 a 1500 °C y la duración es de 2 a 5 horas. Este proceso permite que la fuente de carbono orgánico se descomponga y forme una red conductora. Además, refuerza la unión entre los materiales de silicio y carbono.
El equipo de tratamiento térmico suele ser un horno tubular o un horno rotatorio. Se requiere un control preciso del perfil de temperatura y la composición atmosférica. Esto es necesario para evitar la oxidación o el crecimiento excesivo de partículas de silicio.
Un equipo de la Universidad Central Sur desarrolló una tecnología de silicio nanocristalino con defectos mejorados. Utilizan residuos de la industria del silicio cristalino y un proceso de tratamiento térmico para crear ánodos de silicio de alto rendimiento. La carga de silicio alcanza hasta 80 wt%.
Comparación de los principales métodos de preparación del ánodo de silicio-carbono
| Método de preparación | Características técnicas | Ventajas | Desventajas | Escenarios aplicables |
| Deposición química de vapor (CVD) | Descomposición térmica y deposición de silano sobre carbono poroso | La combinación de silicio y carbono es compacta, la estabilidad del ciclo es buena y la primera eficiencia es alta. | El silano tiene un alto coste y riesgos de seguridad. | Baterías de alta potencia |
| Molienda de arena | Rectificado mecánico de compuestos de silicio y grafito | Proceso simple, de bajo costo, adecuado para producción industrial. | Difícil controlar el tamaño de partícula, fácil de aglomerar y con muchas impurezas. | Aplicaciones de gama media y baja |
| método sol-gel | Compuesto de silicio-carbono mediante proceso sol-gel | La dispersión del material es uniforme y se mantiene una alta capacidad. | La carcasa de carbono se agrieta fácilmente y el alto contenido de oxígeno provoca una baja eficiencia inicial. | Etapa experimental |
| Método de pirólisis de alta temperatura | Descomposición a alta temperatura de precursores de organosilicio | Grandes huecos de carbono que alivian la expansión del volumen | Mala dispersión de silicio y capa de carbono desigual | Escenarios de aplicación específicos |
| Método de molienda mecánica de bolas | Mezcla de fuerza mecánica de materiales de silicio y carbono | Proceso simple, bajo costo, alta eficiencia. | Grave fenómeno de aglomeración y rendimiento general | Aplicaciones de gama baja |
Posprocesamiento
Los pasos de posprocesamiento de los ánodos de silicio-carbono incluyen trituración, clasificación, tratamiento superficial, sinterización, cribado y desmagnetización. En comparación con los ánodos de silicio-oxígeno, los ánodos de silicio-carbono requieren mayor atención a la liberación de la tensión de expansión y a la estabilidad de la película superficial de interfase electrolítica sólida (SEI).
Algunos procesos innovadores, como el método propuesto en la patente CN119994008A, utilizan una distribución de tamaño de partícula cuidadosamente diseñada para las partículas de material primario a base de silicio en la suspensión del ánodo. La primera partícula tiene un D50 de 3 a 8 μm, la segunda de 7 a 12 μm y la tercera, a base de carbono, de 13 a 16 μm. Este diseño permite que las láminas de ánodo a base de silicio preparadas mantengan una alta estabilidad de ciclo y densidad energética sin necesidad de procesos de laminación tradicionales.
Polvo épico
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