bila anod grafit mendekati had kapasiti teori mereka, siapakah yang akan menjadi "enjin tenaga" bateri litium generasi akan datang? Dengan kapasiti khusus ultra tinggi 1800 mAh/g, anod silikon-karbon sedang mempercepatkan daripada penyelidikan makmal kepada perindustrian berskala besar—ini bukan sekadar peningkatan bahan, tetapi revolusi dalam ketumpatan tenaga.
Jenis Teras Bahan Anod dan Ciri Teknikal
Anod Berasaskan Grafit
Grafit Semulajadi
- Ciri-ciri: Kapasiti teori 340–370 mAh/g, kos rendah, tetapi kecekapan Coulombik permulaan yang rendah (~80%) dan risiko interkalasi bersama pelarut yang membawa kepada pengelupasan struktur.
- Permohonan: Terutamanya dalam elektronik pengguna (3C).
Grafit Buatan
- Ciri-ciri: Dihasilkan dengan menggrafikkan kok petroleum/kok jarum pada suhu tinggi (2800°C). Struktur seragam, hayat kitaran >2000 kitaran, kecekapan awal >90%.
- Permohonan: Bateri kuasa (lebih 70% pasaran anod).
Anod Berasaskan Silikon
Laluan Teknikal:
- Anod Silikon-Karbon: Zarah nano-silikon tertanam dalam matriks karbon, kapasiti 400–600 mAh/g, pengembangan volum dikurangkan kepada 30% (berbanding 300% untuk silikon tulen).
- Anod Silikon Oksida (SiOx): Komposit silikon suboksida dengan grafit, kapasiti 450–500 mAh/g, pengembangan volum <50%, prestasi berbasikal yang lebih baik.
Kelebihan: Kapasiti khusus teori 4200 mAh/g (10× grafit), prestasi pengecasan pantas yang sangat baik, sumber yang banyak.
Proses Pengeluaran dan Teknologi Teras
Pengeluaran Grafit Buatan
Proses: Penghancuran bahan mentah → pengilangan mekanikal → granulasi/salutan → grafit suhu tinggi → ayak & membentuk
Langkah Teras:
- Menghancurkan: Pecahkan kok petroleum kepada yang sesuai saiz Zarah.
- Granulasi: Penapis menjadi zarah sekunder, serbuk seragam (6–10 μm).
- Grafitisasi: Mengubah atom karbon kepada struktur hablur grafit tersusun.
Pengeluaran Anod Berasaskan Silikon
Proses: Sumber silikon → penguraian terma → nano-silikon amorf + rangka karbon berliang → pemendapan wap silikon-karbon → salutan karbon CVD
Langkah Teras:
- Saiz Nano silikon: Kilang bola/penyerakan ultrasonik hingga <100 nm.
- Salutan Komposit: Salutan karbon CVD, doping graphene untuk menyekat pengembangan volum.
- Reka Bentuk Struktur: Silikon berliang, seni bina teras-cangkang untuk meningkatkan kekonduksian.
Cabaran Teknikal dan Arah Terobosan
Pengembangan Kelantangan Tinggi
- Silikon mengembang sebanyak >300% semasa berbasikal, menyebabkan pemisahan zarah dan kegagalan elektrod.
- Kandungan silikon tinggi (>15%) memburukkan lagi isu, mengehadkan aplikasi praktikal. Kandungan semasa biasanya disimpan di bawah 10%.
Kecekapan Coulombik Permulaan (ICE) Rendah
- Pembentukan filem SEI berulang pada silikon menggunakan ion litium. ICE sahaja 70%–85% (berbanding >95% untuk grafit).
Kos Tinggi
- Kos silikon-karbon CVD ~¥500,000/tan (berbanding ¥20,000/tan untuk grafit tiruan).
- Sebab utama: kos tinggi karbon berliang (berasaskan resin sehingga ¥500,000/tan) dan silane (~¥100,000/tan), serta proses yang kompleks dan berbahaya.
Bahan Sokongan Tidak Matang
- Pengikat dan elektrolit semasa tidak sesuai untuk pengembangan tinggi silikon-karbon, memerlukan penyelesaian tersuai.
Arah Inovasi untuk Anod Silikon-Karbon
1. Inovasi Reka Bentuk Struktur
- Rangka karbon berliang + pemendapan CVD: Nano-silikon (5–10 nm) dimendapkan di dalam liang, mengurangkan pengembangan.
- Kes: Silikon-karbon sfera dengan kekuatan mampatan yang lebih baik (3–5× lebih tinggi), permukaan berkedut untuk pembasahan elektrolit yang lebih baik; Produk gen ke-6 mencapai <20% pengembangan, >1000 kitaran hayat, ICE >90%.
2. Pengoptimuman Proses
- Peningkatan CVD: Penskalaan daripada 20 kg kepada 100 kg setiap relau, penyetempatan peralatan, dan talian pengeluaran besar-besaran (5000 tan loji stabil, talian baharu melebihi 10,000 tan/tahun). Kos purata industri dikurangkan kepada ~¥220,000/tan.
- Terobosan Pra-lithiation: Menggunakan filem SEI komposit LiF–Li₂C₂O₄, ICE bertambah baik daripada 75% kepada 88% (berhampiran dengan 95% grafit), dengan rintangan antara muka 50% yang lebih rendah.
3. Penandaarasan Prestasi
- Silikon-karbon CVD yang dioptimumkan: Kapasiti khusus 1800–2000 mAh/g, hayat kitaran >1000 kitaran, pengembangan elektrod dikawal pada 25%–27%.
- Prestasi ketara mengatasi anod SiOx konvensional (kapasiti ~1500 mAh/g, ICE 75%–80%).
Bedak Epik
Dengan anod silikon-karbon memacu lonjakan seterusnya dalam ketumpatan tenaga bateri litium, pemprosesan bahan termaju telah menjadi kunci kepada perindustrian. Serbuk Epik, dengan kepakarannya dalam teknologi pengisaran ultra-halus, pengilangan bebola dan klasifikasi serbuk, menyediakan penyelesaian peralatan yang disesuaikan untuk menyediakan komposit nano-silikon dan karbon berprestasi tinggi—membuka laluan untuk pengeluaran anod silikon-karbon yang boleh skala, kos efektif dan boleh dipercayai.