Anodo in silicio-carbonio, come un altro importante percorso tecnologico tradizionale, presentano differenze significative nel loro processo di produzione rispetto a anodi al silicio-ossigenoLa differenza fondamentale risiede nella preparazione della polvere di nanosilicio e nel suo metodo composito con materiali a base di carbonio. In base ai diversi processi di preparazione, gli anodi in silicio-carbonio si dividono principalmente in due metodi tecnici: il metodo di macinazione a sabbia e chimico deposizione da vapore (CVD). Tra queste, la CVD è considerata la direzione più promettente per lo sviluppo futuro.
Preparazione della polvere di nano-silicio
La preparazione della polvere di nanosilicio è il passaggio chiave nella produzione di anodi in silicio-carbonio. Attualmente, esistono tre metodi principali nella produzione industriale: meccanica macinazione a sfere, deposizione chimica da vapore (CVD) e condensazione per evaporazione al plasma (PVD). Sebbene il metodo di macinazione meccanica a sfere sia semplice ed economico, la sua efficienza produttiva è relativamente bassa e tende a introdurre impurità, rendendolo inadatto alla produzione industriale su larga scala. Il metodo di deposizione chimica da vapore (CVD) utilizza il silano (SiH₄) come materiale di reazione e, attraverso la decomposizione termica CVD, si produce polvere di nanosilicio ad alta purezza, con dimensione delle particelle controllabile tra 20-100 nm.
Preparazione dell'anodo di silicio-carbonio mediante macinazione a sabbia
Il metodo di macinazione a sabbia per la produzione di anodi in silicio-carbonio è relativamente tradizionale. Il processo prevede la macinazione di silicio in massa (solitamente proveniente da processi di triclorosilano) in polvere di nanosilicio utilizzando un mulino a sabbia, e la successiva miscelazione con materiali in grafite. Nel processo di macinazione a sabbia, la polvere di silicio viene miscelata con una quantità adeguata di solvente per formare una sospensione, che viene poi convogliata al mulino a sabbia tramite una pompa a membrana.
Grazie alla rotazione ad alta velocità della struttura del rotore e del mezzo di macinazione, si ottengono la raffinazione e la dispersione delle particelle. Il mezzo di macinazione è tipicamente costituito da sfere di zirconia da 3 mm e 5 mm, con un rapporto in massa di 1:1 e un rapporto in peso materiale/mezzo di 3:1. Il tempo di macinazione è compreso tra 1 e 3 ore. Dopo la macinazione, il mezzo e i materiali vengono separati tramite filtrazione, centrifugazione o altri metodi per ottenere la sospensione di nanosilicio. Gli svantaggi di questo metodo sono la difficoltà di controllo. dimensione delle particelle, facile introduzione di impurità e tendenza delle particelle ad agglomerarsi.
Processo di compounding e rivestimento
Il composito e rivestimento I processi sono cruciali per le prestazioni degli anodi in silicio-carbonio. Un metodo innovativo prevede la miscelazione di nanosilicio, aerogel di carbonio, nanotubi di carbonio, grafite, droganti (come idrato di idrazina, bicarbonato di ammonio, ecc.) e disperdenti in rapporti specifici (5–15:20–30:1–10:5–10:5–10:1–5:40–60). La miscela viene quindi dispersa tramite ultrasuoni e macinata con sabbia per formare una sospensione. Questa sospensione viene sottoposta a essiccazione a spruzzo e granulazione. Contemporaneamente, viene sottoposta a rivestimento in carbonio. Il risultato è un materiale anodico a base di silicio drogato e spugnoso.
Le attrezzature di produzione specializzate comprendono diversi moduli:
- Un modulo di erogazione del liquame (con ugello).
- Un modulo di riscaldamento e erogazione del gas (per gas inerte, gas di rivestimento e gas di drogaggio).
- Un modulo della camera di lavorazione (per l'essiccazione, la granulazione a spruzzo e il rivestimento in carbonio).
- Un modulo di raccolta.
La camera di processo contiene materiali droganti come il bicarbonato di ammonio ed è dotata di un setto divisorio. Quando il gas passa attraverso, si mescola con i materiali droganti e quindi entra nella camera di processo per ottenere un drogaggio uniforme.
Trattamento termico ad alta temperatura
Il trattamento termico ad alta temperatura è un altro passaggio fondamentale nella produzione di anodi in silicio-carbonio. Il materiale precursore composito viene carbonizzato in atmosfera inerte. La temperatura di calcinazione è tipicamente compresa tra 1000 e 1500 °C e la durata è di 2-5 ore. Questo processo consente alla fonte di carbonio organico di decomporsi e formare una rete conduttiva. Inoltre, rafforza il legame tra i materiali in silicio e carbonio.
L'apparecchiatura per il trattamento termico è in genere un forno tubolare o un forno rotativo. È richiesto un controllo preciso del profilo di temperatura e della composizione atmosferica. Ciò è necessario per prevenire l'ossidazione o la crescita eccessiva delle particelle di silicio.
Un team della Central South University ha sviluppato una tecnologia al silicio nanocristallino con difetti migliorati. Utilizza scarti dell'industria del silicio cristallino e un processo di trattamento termico per creare anodi al silicio ad alte prestazioni. Il carico di silicio raggiunge fino a 80 wt%.
Confronto dei principali metodi di preparazione dell'anodo di silicio-carbonio
| Metodo di preparazione | Caratteristiche tecniche | Vantaggi | Svantaggi | Scenari applicabili |
| Deposizione chimica da vapore (CVD) | Decomposizione termica del silano e deposizione su carbonio poroso | La combinazione silicio-carbonio è stretta, la stabilità del ciclo è buona e la prima efficienza è elevata | Il silano presenta costi elevati e rischi per la sicurezza | Batterie di potenza di fascia alta |
| macinazione della sabbia | Macinazione meccanica di compositi di silicio e grafite | Processo semplice, a basso costo, adatto alla produzione industriale | Difficile controllare la dimensione delle particelle, facile agglomerazione e molte impurità | Applicazioni di fascia media e bassa |
| Metodo sol-gel | Composito silicio-carbonio mediante processo sol-gel | La dispersione del materiale è uniforme, viene mantenuta un'elevata capacità | Il guscio di carbonio è facile da rompere e l'elevato contenuto di ossigeno porta a una bassa efficienza iniziale | Fase sperimentale |
| Metodo di pirolisi ad alta temperatura | Decomposizione ad alta temperatura del precursore dell'organosilicio | Grandi vuoti di carbonio, alleviano l'espansione del volume | Scarsa dispersione del silicio e strato di carbonio irregolare | Scenari applicativi specifici |
| Metodo di macinazione meccanica a sfere | Miscelazione della forza meccanica di materiali in silicio e carbonio | Processo semplice, basso costo, alta efficienza | Grave fenomeno di agglomerazione e andamento generale | Applicazioni di fascia bassa |
Post-elaborazione
Le fasi di post-lavorazione degli anodi in silicio-carbonio includono frantumazione, classificazione, trattamento superficiale, sinterizzazione, setacciatura e smagnetizzazione. Rispetto agli anodi in silicio-ossigeno, gli anodi in silicio-carbonio richiedono maggiore attenzione al rilascio delle tensioni di espansione e alla stabilità del film SEI (Solid Electrolyte Interphase) superficiale.
Alcuni processi innovativi, come il metodo proposto nel brevetto CN119994008A, utilizzano una distribuzione granulometrica accuratamente progettata per le particelle di materiale primario a base di silicio nella sospensione anodica. La prima particella ha un D50 di 3-8 μm, la seconda ha un D50 di 7-12 μm e la terza particella a base di carbonio ha un D50 di 13-16 μm. Questa progettazione consente ai fogli anodici a base di silicio preparati di mantenere un'elevata stabilità di ciclo e densità energetica senza la necessità di processi di laminazione tradizionali.
Polvere epica
EPIC Powder è all'avanguardia nel progresso della produzione di materiali anodici a base di silicio. Grazie alla sua esperienza nella lavorazione di polveri di nanosilicio, precursori compositi e trattamenti di rivestimento in carbonio, EPIC Powder è ben attrezzata per supportare la crescente domanda di materiali per batterie ad alte prestazioni. Con la continua evoluzione del settore, le soluzioni innovative di EPIC Powder svolgono un ruolo chiave nel migliorare la densità energetica e la stabilità del ciclo, contribuendo allo sviluppo di batterie agli ioni di litio di nuova generazione per veicoli elettrici e sistemi di accumulo di energia.