Anoda silikon-karbon, sebagai rute teknologi arus utama lainnya, memiliki perbedaan yang signifikan dalam proses produksinya dibandingkan dengan anoda silikon-oksigenPerbedaan inti terletak pada penyiapan bubuk nano-silikon dan metode kompositnya dengan material berbasis karbon. Berdasarkan proses penyiapan yang berbeda, anoda silikon-karbon terutama dibagi menjadi dua jalur teknis: metode penggilingan pasir dan bahan kimia Deposisi uap (CVD). Di antara metode-metode tersebut, CVD dianggap sebagai arah yang paling menjanjikan untuk pengembangan di masa depan.
Persiapan Bubuk Nano-Silikon
Persiapan bubuk nano-silikon merupakan langkah kunci dalam produksi anoda silikon-karbon. Saat ini, terdapat tiga metode utama dalam produksi industri: mekanis penggilingan bola, deposisi uap kimia (CVD), dan kondensasi penguapan plasma (PVD). Meskipun metode penggilingan bola mekanis sederhana dan hemat biaya, efisiensi produksinya relatif rendah, dan rentan terhadap masuknya kotoran, sehingga tidak cocok untuk produksi industri skala besar. Metode deposisi uap kimia (CVD) menggunakan silana (SiH₄) sebagai bahan reaksi, dan melalui dekomposisi CVD termal, bubuk nano-silikon dengan kemurnian tinggi diproduksi, dengan ukuran partikel dapat dikontrol antara 20-100 nm.
Persiapan Anoda Silikon-karbon dengan Penggilingan Pasir
Metode penggilingan pasir untuk produksi anoda silikon-karbon tergolong tradisional. Prosesnya meliputi: menggiling silikon curah (biasanya bersumber dari proses triklorosilana) menjadi bubuk nano-silikon menggunakan penggiling pasir, lalu mencampurnya dengan bahan grafit. Dalam proses penggilingan pasir, bubuk silikon dicampur dengan pelarut dalam jumlah yang sesuai untuk membentuk bubur, yang kemudian dialirkan ke penggiling pasir melalui pompa diafragma.
Di bawah rotasi kecepatan tinggi dari struktur rotor dan media penggilingan, penyempurnaan dan dispersi partikel tercapai. Media penggilingan biasanya terdiri dari bola zirkonia 3mm dan 5mm, dengan rasio massa 1:1 dan rasio berat material terhadap media 3:1. Waktu penggilingan adalah 1 hingga 3 jam. Setelah penggilingan, media dan material dipisahkan melalui penyaringan, sentrifugasi, atau metode lain untuk mendapatkan bubur nano-silikon. Kerugian dari metode ini adalah kesulitan dalam mengendalikan ukuran partikel, mudahnya masuknya kotoran, dan kecenderungan partikel untuk menggumpal.
Proses Peracikan dan Pelapisan
Komposit dan lapisan Proses ini sangat penting untuk kinerja anoda silikon-karbon. Metode inovatif melibatkan pencampuran nano-silikon, aerogel karbon, nanotube karbon, grafit, dopan (seperti hidrazin hidrat, amonium bikarbonat, dll.), dan dispersan dalam rasio tertentu (5–15:20–30:1–10:5–10:5–10:1–5:40–60). Campuran tersebut kemudian didispersikan secara ultrasonik dan digiling pasir untuk membentuk bubur. Bubur ini mengalami pengeringan semprot dan granulasi. Pada saat yang sama, bubur tersebut mengalami pelapisan karbon. Hal ini menghasilkan bahan anoda berbasis silikon yang didoping dan seperti spons.
Peralatan produksi khusus mencakup beberapa modul:
- Modul pengiriman bubur (dengan nosel).
- Modul pengiriman dan pemanas gas (untuk gas inert, gas pelapis, dan gas doping).
- Modul ruang pemrosesan (untuk pengeringan, granulasi semprot, dan pelapisan karbon).
- Modul koleksi.
Ruang pemrosesan berisi material doping seperti amonium bikarbonat yang dilengkapi dengan sekat penyekat. Ketika gas melewatinya, gas tersebut bercampur dengan material doping dan kemudian memasuki ruang pemrosesan untuk mencapai doping yang seragam.
Perlakuan Panas Suhu Tinggi
Perlakuan panas suhu tinggi merupakan langkah kunci lain dalam produksi anoda silikon-karbon. Material prekursor komposit dikarbonisasi dalam atmosfer inert. Temperatur kalsinasi biasanya 1000–1500°C, dan durasinya 2–5 jam. Proses ini memungkinkan sumber karbon organik terurai dan membentuk jaringan konduktif. Proses ini juga memperkuat ikatan antara material silikon dan karbon.
Peralatan perlakuan panas biasanya berupa tungku tabung atau tungku putar. Kontrol profil suhu dan komposisi atmosfer yang presisi diperlukan. Hal ini diperlukan untuk mencegah oksidasi atau pertumbuhan partikel silikon yang berlebihan.
Tim dari Central South University mengembangkan teknologi silikon nanokristalin yang ditingkatkan cacatnya. Mereka menggunakan limbah dari industri silikon kristalin dan proses perlakuan panas untuk menciptakan anoda silikon berkinerja tinggi. Muatan silikonnya mencapai hingga 80 wt%.
Perbandingan Metode Persiapan Utama Anoda Silikon-karbon
| Metode persiapan | Fitur Teknik | Keuntungan | Kekurangan | Skenario yang berlaku |
| Deposisi uap kimia (CVD) | Dekomposisi termal dan deposisi silana pada karbon berpori | Kombinasi silikon-karbon rapat, stabilitas siklus baik, dan efisiensi pertama tinggi | Silana memiliki risiko biaya dan keamanan yang tinggi | Baterai berdaya tinggi |
| Penggilingan pasir | Penggilingan mekanis komposit silikon dan grafit | Proses sederhana, biaya rendah, cocok untuk produksi industri | Sulit mengontrol ukuran partikel, mudah menggumpal, dan banyak pengotor | Aplikasi kelas menengah dan bawah |
| Metode sol-gel | Komposit silikon-karbon melalui proses sol-gel | Dispersi material seragam, kapasitas tinggi dipertahankan | Cangkang karbon mudah retak, dan kandungan oksigen yang tinggi menyebabkan efisiensi awal yang rendah | Tahap percobaan |
| Metode pirolisis suhu tinggi | Dekomposisi suhu tinggi prekursor organosilikon | Rongga karbon besar, mengurangi ekspansi volume | Dispersi silikon yang buruk dan lapisan karbon yang tidak merata | Skenario aplikasi spesifik |
| Metode penggilingan bola mekanis | Pencampuran gaya mekanis bahan silikon dan karbon | Proses sederhana, biaya rendah, efisiensi tinggi | Fenomena aglomerasi serius dan kinerja umum | Aplikasi kelas bawah |
Pasca-pemrosesan
Tahapan pasca-pemrosesan untuk anoda silikon-karbon meliputi penghancuran, klasifikasi, perlakuan permukaan, sintering, penyaringan, dan demagnetisasi. Dibandingkan dengan anoda silikon-oksigen, anoda silikon-karbon memerlukan perhatian lebih besar terhadap pelepasan tegangan ekspansi dan stabilitas film SEI (Solid Electrolyte Interphase) permukaan.
Beberapa proses inovatif, seperti metode yang diusulkan dalam paten CN119994008A, menggunakan distribusi ukuran partikel yang dirancang dengan cermat untuk partikel material primer berbasis silikon dalam bubur anoda. Partikel pertama memiliki D50 3–8 μm, partikel kedua memiliki D50 7–12 μm, dan partikel ketiga berbasis karbon memiliki D50 13–16 μm. Desain ini memungkinkan lembaran anoda berbasis silikon yang disiapkan untuk mempertahankan stabilitas siklus dan kepadatan energi yang tinggi tanpa memerlukan proses penggulungan tradisional.
Bubuk Epik
EPIC Powder berada di garis depan dalam memajukan produksi bahan anoda berbasis silikon. Dengan keahlian dalam memproses bubuk nano-silikon, prekursor komposit, dan perawatan pelapisan karbon, EPIC Powder diperlengkapi dengan baik untuk mendukung permintaan yang terus meningkat akan bahan baterai berkinerja tinggi. Seiring dengan terus berkembangnya industri, solusi inovatif EPIC Powder memainkan peran penting dalam meningkatkan kepadatan energi dan stabilitas siklus, yang berkontribusi pada pengembangan baterai lithium-ion generasi berikutnya untuk kendaraan listrik dan penyimpanan energi.