Anode silicium-carbone, en tant qu'autre voie technologique majeure, présentent des différences significatives dans leur processus de production par rapport à anodes silicium-oxygène. La principale différence réside dans la préparation de la poudre de nano-silicium et son incorporation dans des matériaux à base de carbone. Selon les procédés de préparation, les anodes silicium-carbone se répartissent principalement en deux catégories : le broyage sur sable et le dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Parmi celles-ci, le CVD est considéré comme la voie la plus prometteuse pour les développements futurs.
Préparation de poudre de nano-silicium
La préparation de poudre de nano-silicium est l'étape clé de la production d'anodes silicium-carbone. Actuellement, trois principales méthodes de production industrielle sont utilisées : mécanique. broyage à boulets, le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et la condensation par évaporation plasma (PVD). Bien que la méthode de broyage mécanique à billes soit simple et économique, son rendement de production est relativement faible et elle est sujette à l'introduction d'impuretés, ce qui la rend inadaptée à la production industrielle à grande échelle. La méthode de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) utilise le silane (SiH₄) comme matériau de réaction et, par décomposition thermique par CVD, permet d'obtenir une poudre de nano-silicium de haute pureté. la taille des particules contrôlable entre 20 et 100 nm.
Préparation d'une anode silicium-carbone par broyage au sable
La méthode de broyage au sable pour la production d'anodes silicium-carbone est relativement traditionnelle. Le procédé comprend le broyage du silicium en vrac (généralement issu du trichlorosilane) en poudre de nano-silicium à l'aide d'un broyeur à sable, puis son incorporation à des matériaux en graphite. Lors du broyage au sable, la poudre de silicium est mélangée à une quantité appropriée de solvant pour former une suspension, qui est ensuite acheminée vers le broyeur à sable via une pompe à membrane.
Sous l'effet de la rotation à grande vitesse du rotor et des billes de broyage, le raffinement et la dispersion des particules sont obtenus. Les billes de broyage sont généralement composées de billes de zircone de 3 et 5 mm, dans un rapport massique de 1:1, et le rapport massique matériau/billes est de 3:1. Le broyage dure de 1 à 3 heures. Après broyage, les billes et le matériau sont séparés par filtration, centrifugation ou d'autres méthodes afin d'obtenir la suspension de nano-silicium. Cette méthode présente toutefois des inconvénients : la difficulté à contrôler la taille des particules, la facilité d'introduction d'impuretés et la tendance à l'agglomération des particules.
Procédé de compoundage et de revêtement
Les procédés de composition et de revêtement sont essentiels aux performances des anodes silicium-carbone. Une méthode innovante consiste à mélanger du nano-silicium, des aérogels de carbone, des nanotubes de carbone, du graphite, des dopants (tels que l'hydrate d'hydrazine, le bicarbonate d'ammonium, etc.) et des dispersants dans des proportions spécifiques (5–15:20–30:1–10:5–10:5–10:1–5:40–60). Le mélange est ensuite dispersé par ultrasons et broyé sur sable pour former une suspension. Cette suspension est soumise à un séchage par atomisation et à une granulation. Simultanément, elle subit un revêtement de carbone. On obtient ainsi un matériau d'anode à base de silicium dopé, de structure spongieuse.
L'équipement de production spécialisé comprend plusieurs modules :
- Un module de distribution de lisier (avec buse).
- Un module de distribution et de chauffage de gaz (pour gaz inerte, gaz de revêtement et gaz dopant).
- Un module de chambre de traitement (pour le séchage, la granulation par pulvérisation et le revêtement au carbone).
- Un module de collection.
La chambre de traitement contient des matériaux dopants tels que le bicarbonate d'ammonium, et est équipée d'une cloison déflectrice. Lors de son passage, le gaz se mélange aux matériaux dopants et pénètre dans l'espace de traitement pour obtenir un dopage uniforme.
Traitement thermique à haute température
Le traitement thermique à haute température est une autre étape clé de la production d'anodes silicium-carbone. Le matériau composite précurseur est carbonisé sous atmosphère inerte. La température de calcination est généralement comprise entre 1 000 et 1 500 °C et la durée est de 2 à 5 heures. Ce processus permet à la source de carbone organique de se décomposer et de former un réseau conducteur. Il renforce également la liaison entre les matériaux silicium et carbone.
L'équipement de traitement thermique est généralement un four tubulaire ou un four rotatif. Un contrôle précis du profil de température et de la composition atmosphérique est nécessaire pour prévenir l'oxydation ou la croissance excessive des particules de silicium.
Une équipe de l'Université Centrale du Sud a développé une technologie de silicium nanocristallin optimisée par défaut. Elle utilise des déchets de l'industrie du silicium cristallin et un procédé de traitement thermique pour créer des anodes en silicium haute performance. La charge en silicium atteint jusqu'à 80 % en poids (%).
Comparaison des principales méthodes de préparation des anodes silicium-carbone
| Méthode de préparation | Caractéristiques techniques | Avantages | Désavantages | Scénarios applicables |
| Dépôt chimique en phase vapeur (CVD) | Décomposition thermique et dépôt de silane sur carbone poreux | La combinaison silicium-carbone est serrée, la stabilité du cycle est bonne et le premier rendement est élevé | Le silane présente des coûts élevés et des risques pour la sécurité | Batteries d'alimentation haut de gamme |
| Broyage du sable | Broyage mécanique de composites silicium et graphite | Procédé simple, à faible coût, adapté à la production industrielle | Taille des particules difficile à contrôler, facile à agglomérer et nombreuses impuretés | Applications milieu et bas de gamme |
| Méthode sol-gel | Composite silicium-carbone par procédé sol-gel | La dispersion du matériau est uniforme, une capacité élevée est maintenue | La coque en carbone est facile à fissurer et une teneur élevée en oxygène entraîne une faible efficacité initiale | Étape expérimentale |
| Méthode de pyrolyse à haute température | Décomposition à haute température d'un précurseur organosilicié | Les grands vides de carbone atténuent l'expansion du volume | Mauvaise dispersion du silicium et couche de carbone inégale | Scénarios d'application spécifiques |
| Méthode de broyage mécanique à boulets | Mélange de force mécanique de matériaux en silicium et en carbone | Procédé simple, faible coût, haute efficacité | Phénomène d'agglomération grave et performances générales | Applications bas de gamme |
Post-traitement
Les étapes de post-traitement des anodes silicium-carbone comprennent le broyage, la classification, le traitement de surface, le frittage, le criblage et la démagnétisation. Comparées aux anodes silicium-oxygène, les anodes silicium-carbone nécessitent une attention particulière à la libération des contraintes de dilatation et à la stabilité du film SEI (Solid Electrolyte Interphase) de surface.
Certains procédés innovants, comme la méthode proposée dans le brevet CN119994008A, utilisent une distribution granulométrique soigneusement étudiée pour les particules de silicium primaire dans la suspension anodique. La première particule présente un D50 de 3 à 8 μm, la deuxième un D50 de 7 à 12 μm et la troisième particule à base de carbone un D50 de 13 à 16 μm. Cette conception permet aux feuilles d'anode à base de silicium préparées de conserver une stabilité cyclique et une densité énergétique élevées sans recourir aux procédés de laminage traditionnels.
Poudre épique
EPIC Powder est à l'avant-garde de la production de matériaux d'anode à base de silicium. Forte de son expertise dans le traitement des poudres de nano-silicium, des précurseurs composites et des traitements de revêtement carbone, EPIC Powder est parfaitement équipée pour répondre à la demande croissante de matériaux pour batteries hautes performances. Face à l'évolution constante du secteur, les solutions innovantes d'EPIC Powder jouent un rôle clé dans l'amélioration de la densité énergétique et de la stabilité du cyclage, contribuant ainsi au développement de batteries lithium-ion de nouvelle génération pour les véhicules électriques et le stockage d'énergie.