실리콘 기반 양극 소재 생산을 위한 핵심 장비

생산 과정에서 실리콘 기반 양극 전극, 특수 장비 선택 및 구성은 제품 품질과 생산 효율에 직접적인 영향을 미칩니다. 기존 흑연 음극 생산과 비교할 때, 실리콘 기반 양극 전극 생산 장비는 기술적 요구 사항이 더 높고, 제어 정확도도 더 엄격합니다. 실리콘-산소 및 실리콘-탄소 음극은 공정 특성이 다르며, 핵심 장비도 어느 정도 차이가 있습니다. 하지만 일부 일반적인 장비는 공유될 수 있습니다. 아래에서는 실리콘 기반 음극 생산의 주요 장비와 기술적 특성을 자세히 설명합니다.

승화로 시스템

승화로 시스템은 실리콘-산화물 양극 전구체를 제조하는 핵심 장비입니다. 이 시스템은 주로 일산화규소(SiOx) 합성에 사용됩니다. 최신 승화로는 일반적으로 수직형 설계를 채택합니다. 이 시스템은 하부 가열 영역과 상부 증착 영역의 두 가지 기능 영역으로 나뉩니다. 가열 영역은 중주파 유도 가열 또는 실리콘-몰리브덴 막대 가열을 사용하며, 온도는 1200~1800°C에 이릅니다. 증착 영역에는 수냉식 수집 트레이가 있습니다. 열교환 시스템은 응축 온도를 400~800°C로 제어합니다. 승화로는 진공 또는 저압 환경(0.01~1000 Pa)에서 작동합니다. 고성능 진공 펌프 시스템과 압력 제어 시스템이 필요합니다. 첨단 승화로는 온라인 모니터링 시스템을 통합합니다. 이 시스템은 온도 분포와 승화 속도를 실시간으로 모니터링하여 SiOx 조성의 균일성과 안정성을 보장합니다.

나노실리콘 제조 장비

복합 및 분산 장비는 실리콘 기반 양극에 필수적입니다. 고속 믹서, 비드 밀, 그리고 초음파 분산 시스템이 포함됩니다. 비드 밀링 공정에는 일반적으로 수평 비드 밀이 사용됩니다. 이 비드 밀에는 지르코니아 또는 텅스텐 카바이드 분쇄 매체(3mm와 5mm 혼합)가 장착되어 있습니다. 분쇄 강도와 시간은 재료 특성에 따라 정밀하게 제어됩니다. 상하이 샨샨 테크놀로지(Shanghai Shanshan Technology)는 초음파 분산과 비드 밀링을 혁신적으로 결합했습니다. 이 조합은 조절 가능한 초음파 전처리를 통해 입자 응집물을 분해합니다. 그 후, 비드 밀링을 통해 입자를 미세화하여 분산을 크게 향상시킵니다.

복합 및 분산 장비

실리콘 기반 양극에는 복합 및 분산 장비가 필수적입니다. 여기에는 고속 믹서, 비드 밀, 그리고 초음파 분산 시스템이 포함됩니다. 비드 밀링 공정에는 수평 비드 밀이 일반적으로 사용됩니다. 이러한 비드 밀에는 지르코니아 또는 텅스텐 카바이드 분쇄 매체(3mm와 5mm 혼합)가 장착되어 있습니다. 분쇄 강도와 시간은 재료 특성에 따라 정밀하게 제어됩니다.

과립화 및 건조 장비

과립화 및 건조 장비는 나노 실리콘 또는 일산화규소 분말을 추가 가공을 위한 2차 입자로 변환합니다. 분무 건조기는 가장 일반적으로 사용되는 과립화 장비입니다. 이 장비는 바인더와 혼합된 실리콘 슬러리를 작은 입자로 분무합니다. 열풍은 이 입자를 빠르게 건조시켜 입자로 만듭니다. 한 연구소에서 개발한 2차 과립화 시스템은 특수 설계된 분무기와 열풍 순환 시스템을 사용합니다. 이 시스템은 30~50μm 범위의 균일한 입자를 생성하여 초미립 분말의 유동성을 향상시킵니다. 용매 기반 시스템의 경우, 진공 건조기 또는 디스크 건조기를 사용할 수도 있습니다. 폭발 및 용매 회수 문제를 방지하기 위해 주의를 기울여야 합니다. 새로운 유동층 과립화-건조 장치는 유동화와 분무 기술을 결합합니다. 이 시스템은 더 높은 과립화 효율과 더 나은 입자 강도를 제공하며, 고급 실리콘 기반 양극 생산에 점차 적용되고 있습니다.

코팅 및 열처리 장비

코팅 열처리 장비는 실리콘 기반 양극의 전기화학적 성능을 향상시킵니다. 여기에는 유동층 CVD 시스템, 회전로, 관로가 포함됩니다. 유동층 반응기는 실리콘-산화물 양극의 탄소 코팅에 이상적입니다. 유동화 가스 속도(초기 설정 8L/s)와 온도(600~1000°C)를 정밀하게 제어하여 균일한 탄소 층을 증착합니다. 고급 유동층 시스템은 예열기(예열 온도 ≥400°C)와 열교환기를 갖추고 있습니다. 이러한 시스템은 에너지 소비를 줄이고 온도 변동을 최소화합니다. 실리콘-탄소 양극의 탄화 처리에는 회전로 또는 푸시 플레이트 가마가 사용됩니다. 온도 범위는 일반적으로 1000~1500°C이며, 처리 시간은 2~5시간입니다.

후처리 장비

후처리 장비에는 다음이 포함됩니다. 눌러 터뜨리는, 분류, 표면 처리및 포장 장치. 기류 분쇄기는 초미분 분쇄에 주로 사용되는 장비입니다. 이 분쇄기는 금속 오염을 방지하기 위해 충돌식 설계를 사용합니다. 재료를 원하는 수준으로 분쇄합니다. 입자 크기 (일반적으로 D50<10μm). 분류 시스템은 입자 공기역학에 기반한 정밀 분류를 위해 기류 분류기를 사용합니다. 표면 처리 장비에는 개질 믹서와 코팅 기계가 포함됩니다. 이러한 장비는 실리콘 기반 소재에 기능성 코팅을 입힙니다. 자기 분리기는 원료 준비 또는 생산 과정에서 유입된 금속 불순물을 제거합니다. 일반적으로 다단계 고농도 자기 분리를 사용합니다. 포장 장비는 건조한 분위기 또는 진공 환경에서 작동합니다. 이는 실리콘 기반 소재가 수분을 흡수하여 산화되는 것을 방지합니다.

자동화 제어 시스템

자동화 제어 시스템은 현대 실리콘 기반 양극 생산 라인의 중추입니다. 다양한 공정의 제어를 조정하고 데이터를 수집합니다. 일반적인 제어 시스템에는 온도 및 유량 제어 모듈이 포함됩니다. 이 모듈은 승화로의 반응 온도, 증착 구역의 증착 온도, 유동층 반응 온도, 예열기 온도와 같은 주요 매개변수를 모니터링합니다. 또한, 이 시스템은 승화로 수율, 유동층 재료 투입량, 가스 유량, 산출량과 같은 생산 데이터를 수집합니다. 이 데이터는 공정 최적화 및 품질 추적을 위해 사용됩니다. 첨단 공장에서는 MES(제조 실행 시스템)와 산업 인터넷 기술을 적용합니다. 이러한 기술을 통해 전체 생산 공정의 디지털 및 지능형 관리가 가능해집니다.

결론

실리콘 기반 음극재 산업은 빠르게 발전하고 있습니다. 생산 장비는 대규모, 연속 운전, 자동화로 진화하고 있습니다. 예를 들어, 기존의 배치식 승화로는 연속 공급 방식으로 대체되고 있습니다. 여러 개의 유동층이 직렬로 연결되어 다양한 기능층의 순차적인 코팅이 가능합니다. AI 기술이 적용되어 공정 변수를 최적화하고 품질을 예측합니다. 이러한 기술 발전은 실리콘 기반 음극재의 생산 효율을 더욱 향상시킬 뿐만 아니라, 제품의 일관성과 원가 경쟁력을 향상시켜 고급 전력 배터리 분야에서의 대규모 적용을 가속화할 것입니다.

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