실리콘-산소 양극 실리콘 기반 양극의 중요한 분야입니다. 생산 공정은 고유한 기술적 특성과 요건을 가지고 있습니다. 핵심 원료는 일산화규소(SiOx)이며, 이의 제조 및 가공은 전체 생산 공정의 기반을 형성합니다. 실리콘-산소 양극 리튬은 일반, 마그네슘 전, 리튬 전의 세 가지 유형으로 분류할 수 있습니다. 각 유형은 생산 공정에서 각기 다른 중점을 둡니다.
일산화규소 전구체의 제조
일산화규소(SiOx) 전구체의 제조는 실리콘-산소 양극 제조의 주요 단계입니다. SiOx를 생산하는 산업적 방법은 주로 고온 승화법을 사용합니다. 태양광 폐실리콘 분말 및 석영 모래 1:1.2 대 2의 중량비로 혼합합니다. 이 혼합물을 승화로에 넣습니다. 이로는 진공 또는 저압(0.01~1000Pa) 환경에서 작동합니다. 가열 구역의 온도는 1200°C에서 1800°C 사이로 유지됩니다. 이를 통해 혼합물이 반응하여 일산화규소 증기를 생성합니다.
승화로는 두 부분으로 나뉩니다. 하부는 중주파 유도 가열 또는 실리콘-몰리브덴 막대 가열을 사용하는 가열 영역입니다. 상부는 증착 영역으로, 승화된 일산화규소를 포집하기 위한 수냉식 포집 트레이(응축 온도 400°C~800°C)가 있습니다. 핵심 장비는 진공 승화로, 진공 시스템, 그리고 열교환 시스템입니다. 온도 구배, 진공도, 그리고 응축 속도는 정밀하게 제어되어야 합니다. 이를 통해 SiOx의 균일성과 결정성이 보장됩니다.
일산화규소 벌크 물질이 파쇄 및 분류된 후 다음 공정으로 이동합니다. 조 크러셔를 사용하여 조분쇄하여 SiOx 블록을 밀리미터 크기의 입자로 분쇄합니다. 그런 다음 충돌형 에어젯밀 미세 분쇄에 사용됩니다. 이로 인해 마이크론 크기의 실리콘 분말이 생성됩니다. D50 <10μm. 그 에어젯밀 고속 기류를 사용하여 입자 충돌을 유발합니다. 이를 통해 기존의 기계적 파쇄로 인한 오염을 방지합니다. 파쇄 강도와 사이클 횟수를 제어해야 합니다. 이를 통해 나중에 유동화 문제를 일으킬 수 있는 미세 입자를 방지할 수 있습니다.
2차 과립화 시스템
2차 과립화 시스템은 초미립 분말의 유동화 문제를 해결하는 핵심 단계입니다. 미크론 크기의 일산화규소 분말을 탄소 함유 바인더 용액(예: 폴리아크릴로니트릴, 폴리스티렌, 폴리비닐피롤리돈 또는 폴리비닐알코올)과 혼합합니다. 혼합물을 교반하고 분무 건조하여 2차 입자를 형성합니다. 입자 크기 30~50μm입니다. 이 공정은 C급(10μm 미만이며 응집되기 쉬움)의 일산화규소 입자를 A급(30μm 이상이며 쉽게 유동화됨) 입자로 변환하여 재료의 유동성을 크게 향상시킵니다.
2차 과립화 장비는 주로 고속 믹서, 분무 건조탑, 그리고 열풍 시스템으로 구성됩니다. 운전 중에는 입자의 균일성과 강도를 보장하기 위해 결합제 비율, 교반 강도, 그리고 건조 온도를 조절해야 합니다.
탄소 코팅 처리
탄소 코팅 처리는 실리콘-산소 양극의 전도도와 사이클 안정성을 향상시키는 핵심 단계입니다. 2차 입자는 스크류 피더를 통해 유동층 반응기에 연속적으로 공급됩니다. 600°C에서 1000°C 사이의 온도에서 입자는 탄소원 가스(예: 아세틸렌)와 1시간 동안 반응하여 표면에 균일한 탄소 코팅을 형성합니다. 유동층 반응기에는 온도 변동을 최소화하기 위해 예열기(예열 온도 400°C 이상)가 장착되어 있습니다.
이 공정의 핵심은 유동화 가스(질소 또는 아르곤)의 유량을 초기 8L/s로 제어하여 입자가 떠내려가지 않고 완전히 유동화되도록 하는 것입니다. 코팅된 재료는 배출 장치를 통해 연속적으로 배출되고, 폐열은 열교환기를 통해 회수됩니다.
Pre-Mg-SiO2 양극
마그네슘 전 실리콘-산소 애노드의 경우, 생산 공정에서는 기본 실리콘-산소 공정에 마그네슘 열 환원 단계가 추가됩니다. 규소 (Si), 이산화규소(SiO2), 마그네슘(Mg)을 혼합하여 고온로에서 열처리합니다. 이를 통해 마그네슘이 도핑된 일산화규소 전구체가 생성되고, 이후 분쇄, 연삭 및 탄소 코팅 공정을 거칩니다.
마그네슘 도핑은 SEI(고체 전해질 계면) 피막의 과도한 형성을 방지하여 1차 사이클 효율을 약 80%로 향상시킵니다. 그러나 재료비가 톤당 약 10만~20만 위안 증가하여 사이클 성능에 영향을 미칠 수 있습니다.
리튬 이전 실리콘-산소 양극
리튬-실리콘-산소 양극의 경우, 탄소 코팅 후 리튬화 단계가 추가됩니다. 리튬 분말 또는 리튬 산화물을 혼합하고 소결하면 1차 사이클 효율이 86%~92%까지 향상될 수 있습니다. 그러나 리튬화 전 기술은 여전히 안전성 및 대량 생산의 어려움에 직면해 있으며, 산업화 수준도 낮은 편입니다.
리튬화 장비는 불활성 분위기(예: 아르곤)에서 작동해야 합니다. 온도 상승률과 혼합 균일도는 엄격하게 제어되어야 합니다. 이를 통해 안전 문제를 야기할 수 있는 국부 과열을 방지할 수 있습니다.
실리콘-산소 양극의 주요 생산 공정 및 주요 매개변수
| 생산과정 | 주요 장비 | 프로세스 매개변수 | 품질 관리 지점 |
| SiOx 제조 | 진공 승화로, 응축 시스템 | 온도 1200-1800℃, 압력 0.01-1000Pa | SiOx 조성 균일성, 결정성 |
| 파쇄 및 등급 매기기 | 턱 파쇄기, 에어젯밀 | D50<10μm | 입자 크기 유통, 금속 오염 제어 |
| 2차 과립화 | 믹서, 분무 건조 타워 | 입자 크기 30-50um | 입자 강도, 다공성 |
| 탄소 코팅 | 유동층 반응기, 예열 시스템 | 온도 600-1000℃, 시간 1h | 탄소층 균일도, 코팅량 |
| 사전 도핑 | 믹서, 소결로 | 도핑 원소에 따라 다릅니다 | 도핑 균일성, 안전성 |
실리콘-산소 양극 생산의 마지막 단계는 후처리입니다. 여기에는 파쇄, 체질, 탈자화, 포장이 포함됩니다. 이러한 단계는 기존 양극 소재의 단계와 유사합니다. 실리콘 기반 소재의 흡습성과 산화 민감성에 특히 주의해야 합니다. 작업은 일반적으로 건조한 분위기 또는 진공 환경에서 수행해야 합니다.
전체 생산 공정에 걸쳐 데이터 수집 및 제어 시스템은 온도, 압력, 유량 등의 매개변수를 실시간으로 모니터링하고 조정합니다. 이를 통해 공정 안정성과 제품 일관성이 보장됩니다.
에픽 파우더
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