Anod silikon-karbon, sebagai satu lagi laluan teknologi arus perdana utama, mempunyai perbezaan yang ketara dalam proses pengeluaran mereka berbanding dengan anod silikon-oksigen. The core difference lies in the preparation of nano-silicon powder and its composite method with carbon-based materials. Based on the different preparation processes, silicon-carbon anodes are mainly divided into two technical routes: the sand milling method and chemical vapor deposition (CVD). Among these, CVD is considered the most promising direction for future development.
Penyediaan Serbuk Nano-Silikon
Penyediaan serbuk nano-silikon adalah langkah utama dalam pengeluaran anod silikon-karbon. Pada masa ini, terdapat tiga kaedah utama dalam pengeluaran perindustrian: mekanikal penggilingan bola, pemendapan wap kimia (CVD), dan pemeluwapan penyejatan plasma (PVD). Walaupun kaedah pengilangan bola mekanikal adalah mudah dan menjimatkan kos, kecekapan pengeluarannya agak rendah, dan ia terdedah kepada kekotoran, menjadikannya tidak sesuai untuk pengeluaran perindustrian berskala besar. Kaedah pemendapan wap kimia (CVD) menggunakan silane (SiH₄) sebagai bahan tindak balas, dan melalui penguraian CVD terma, serbuk nano-silikon ketulenan tinggi dihasilkan, dengan saiz Zarah boleh dikawal antara 20-100 nm.
Penyediaan Anod Silikon-karbon oleh Pengilangan Pasir
Kaedah pengilangan pasir untuk pengeluaran anod silikon-karbon adalah agak tradisional. Proses ini termasuk: mengisar silikon pukal (biasanya diperoleh daripada proses trichlorosilane) menjadi serbuk nano-silikon menggunakan kilang pasir, dan kemudian menggabungkannya dengan bahan grafit. Dalam proses pengilangan pasir, serbuk silikon dicampur dengan jumlah pelarut yang sesuai untuk membentuk buburan, yang kemudiannya dihantar ke kilang pasir melalui pam diafragma.
Under the high-speed rotation of the rotor structure and grinding media, particle refinement and dispersion are achieved. The grinding media typically consist of 3mm and 5mm zirconia balls, with a mass ratio of 1:1 and a material-to-media weight ratio of 3:1. The grinding time is 1 to 3 hours. After grinding, the media and materials are separated through filtration, centrifugation, or other methods to obtain the nano-silicon slurry. The disadvantages of this method are difficulty in controlling particle size, easy introduction of impurities, and the tendency for particles to agglomerate.
Proses Pengkompaunan dan Salutan
The composite and coating processes are crucial for the performance of silicon-carbon anodes. An innovative method involves mixing nano-silicon, carbon aerogels, carbon nanotubes, graphite, dopants (such as hydrazine hydrate, ammonium bicarbonate, etc.), and dispersants in specific ratios (5–15:20–30:1–10:5–10:5–10:1–5:40–60). The mixture is then ultrasonically dispersed and sand milled to form a slurry. This slurry is subjected to spray drying and granulation. At the same time, it undergoes carbon coating. This results in a doped, sponge-like silicon-based anode material.
Peralatan pengeluaran khusus termasuk beberapa modul:
- Modul penghantaran buburan (dengan muncung).
- Modul penghantaran dan pemanasan gas (untuk gas lengai, gas salutan dan gas doping).
- Modul kebuk pemprosesan (untuk pengeringan, granulasi semburan, dan salutan karbon).
- Modul koleksi.
Ruang pemprosesan mengandungi bahan doping seperti ammonium bikarbonat yang dilengkapi dengan sekatan penyekat . Apabila gas melepasi, ia bercampur dengan bahan doping dan kemudian memasuki ruang pemprosesan untuk mencapai doping seragam.
Rawatan Haba Suhu Tinggi
Rawatan haba suhu tinggi adalah satu lagi langkah penting dalam pengeluaran anod silikon-karbon. Bahan prekursor komposit dikarbonkan dalam suasana lengai. Suhu pengkalsinan biasanya 1000–1500°C, dan tempohnya ialah 2–5 jam. Proses ini membolehkan sumber karbon organik terurai dan membentuk rangkaian konduktif. Ia juga mengukuhkan ikatan antara bahan silikon dan karbon.
Peralatan rawatan haba lazimnya ialah relau tiub atau relau berputar. Kawalan tepat profil suhu dan komposisi atmosfera diperlukan. Ini adalah perlu untuk mengelakkan pengoksidaan zarah silikon atau pertumbuhan yang berlebihan.
Pasukan dari Central South University membangunkan teknologi silikon kristal nano yang dipertingkatkan kecacatan. Mereka menggunakan sisa daripada industri silikon kristal dan proses rawatan haba untuk mencipta anod silikon berprestasi tinggi. Pemuatan silikon mencapai sehingga 80 wt%.
Perbandingan Kaedah Penyediaan Utama Anod Silikon-karbon
| Kaedah penyediaan | Ciri-ciri teknikal | Kelebihan | Keburukan | Senario yang berkenaan |
| Pemendapan wap kimia (CVD) | Penguraian terma dan pemendapan silane pada karbon berliang | Gabungan silikon-karbon adalah ketat, kestabilan kitaran adalah baik, dan kecekapan pertama adalah tinggi | Silane mempunyai risiko kos dan keselamatan yang tinggi | Bateri kuasa tinggi |
| Pengilangan pasir | Pengisaran mekanikal komposit silikon dan grafit | Proses mudah, kos rendah, sesuai untuk pengeluaran perindustrian | Sukar untuk mengawal saiz zarah, mudah terkumpul, dan banyak kekotoran | Aplikasi pertengahan dan rendah |
| Kaedah sol-gel | Komposit silikon-karbon melalui proses sol-gel | Penyerakan bahan adalah seragam, kapasiti tinggi dikekalkan | Cangkang karbon mudah retak, dan kandungan oksigen yang tinggi membawa kepada kecekapan awal yang rendah | Peringkat eksperimen |
| Kaedah pirolisis suhu tinggi | Penguraian suhu tinggi prekursor organosilicon | Lompang karbon yang besar, mengurangkan pengembangan isipadu | Penyerakan silikon yang lemah dan lapisan karbon yang tidak sekata | Senario aplikasi khusus |
| Kaedah pengilangan bola mekanikal | Pencampuran daya mekanikal bahan silikon dan karbon | Proses mudah, kos rendah, kecekapan tinggi | Fenomena aglomerasi yang serius dan prestasi umum | Aplikasi rendah |
Pasca pemprosesan
Langkah-langkah pasca pemprosesan untuk anod silikon-karbon termasuk penghancuran, pengelasan, rawatan permukaan, pensinteran, penyaringan dan penyahmagnetan. Berbanding dengan anod silikon-oksigen, anod silikon-karbon memerlukan lebih perhatian terhadap pelepasan tegasan pengembangan dan kestabilan filem SEI (Solid Electrolyte Interphase) permukaan.
Beberapa proses inovatif, seperti kaedah yang dicadangkan dalam paten CN119994008A, menggunakan pengedaran saiz zarah yang direka dengan teliti untuk zarah bahan primer berasaskan silikon dalam buburan anod. Zarah pertama mempunyai D50 sebanyak 3-8 μm, zarah kedua mempunyai D50 sebanyak 7-12 μm, dan zarah berasaskan karbon ketiga mempunyai D50 sebanyak 13-16 μm. Reka bentuk ini membolehkan kepingan anod berasaskan silikon yang disediakan untuk mengekalkan kestabilan kitaran tinggi dan ketumpatan tenaga tanpa memerlukan proses rolling tradisional.
Bedak Epik
Serbuk EPIC berada di barisan hadapan dalam memajukan pengeluaran bahan anod berasaskan silikon. Dengan kepakaran dalam memproses serbuk nano-silikon, prekursor komposit dan rawatan salutan karbon, Serbuk EPIC dilengkapi dengan baik untuk menyokong permintaan yang semakin meningkat untuk bahan bateri berprestasi tinggi. Memandangkan industri terus berkembang, penyelesaian inovatif Serbuk EPIC memainkan peranan penting dalam meningkatkan ketumpatan tenaga dan kestabilan berbasikal, menyumbang kepada pembangunan bateri litium-ion generasi akan datang untuk kenderaan elektrik dan storan tenaga.