Ânodo de silício-carbono, como outra importante rota tecnológica convencional, apresentam diferenças significativas em seu processo de produção em comparação com ânodos de silício-oxigênioA principal diferença reside na preparação do pó de nano-silício e no seu método de composição com materiais à base de carbono. Com base nos diferentes processos de preparação, os ânodos de silício-carbono são divididos principalmente em duas rotas técnicas: o método de moagem em areia e químico Deposição de vapor (CVD). Dentre elas, a CVD é considerada a direção mais promissora para desenvolvimento futuro.
Preparação de pó de nano-silício
A preparação do pó de nano-silício é a etapa fundamental na produção de ânodos de silício-carbono. Atualmente, existem três métodos principais na produção industrial: mecânico moagem de bolas, deposição química de vapor (CVD) e condensação por evaporação de plasma (PVD). Embora o método de moagem mecânica de bolas seja simples e econômico, sua eficiência de produção é relativamente baixa e ele é propenso à introdução de impurezas, tornando-o inadequado para a produção industrial em larga escala. O método de deposição química de vapor (CVD) utiliza silano (SiH₄) como material de reação e, por meio da decomposição térmica por CVD, produz-se pó de nano-silício de alta pureza, com tamanho da partícula controlável entre 20-100 nm.
Preparação de ânodo de silício-carbono por moagem de areia
O método de moagem em areia para a produção de ânodos de silício-carbono é relativamente tradicional. O processo inclui: moer silício a granel (geralmente proveniente de processos de triclorossilano) em pó de nano-silício usando um moinho de areia e, em seguida, combiná-lo com materiais de grafite. No processo de moagem em areia, o pó de silício é misturado com uma quantidade adequada de solvente para formar uma pasta, que é então fornecida ao moinho de areia por meio de uma bomba de diafragma.
Sob a rotação de alta velocidade da estrutura do rotor e do meio de moagem, obtém-se o refinamento e a dispersão das partículas. O meio de moagem consiste tipicamente em esferas de zircônia de 3 mm e 5 mm, com uma relação de massa de 1:1 e uma relação de peso material-meio de 3:1. O tempo de moagem é de 1 a 3 horas. Após a moagem, o meio e os materiais são separados por filtração, centrifugação ou outros métodos para obter a pasta de nano-silício. As desvantagens deste método são a dificuldade de controle. tamanho da partícula, fácil introdução de impurezas e tendência de aglomeração de partículas.
Processo de composição e revestimento
O composto e revestimento Os processos são cruciais para o desempenho de ânodos de silício-carbono. Um método inovador envolve a mistura de nano-silício, aerogéis de carbono, nanotubos de carbono, grafite, dopantes (como hidrato de hidrazina, bicarbonato de amônio, etc.) e dispersantes em proporções específicas (5–15:20–30:1–10:5–10:5–10:1–5:40–60). A mistura é então dispersa por ultrassom e moída em areia para formar uma pasta. Essa pasta é submetida à secagem por pulverização e granulação. Ao mesmo tempo, passa por um revestimento de carbono. Isso resulta em um material de ânodo à base de silício dopado, semelhante a uma esponja.
O equipamento de produção especializado inclui vários módulos:
- Um módulo de entrega de polpa (com bico).
- Um módulo de fornecimento e aquecimento de gás (para gás inerte, gás de revestimento e gás dopante).
- Um módulo de câmara de processamento (para secagem, granulação por pulverização e revestimento de carbono).
- Um módulo de coleção.
A câmara de processamento contém materiais dopantes, como bicarbonato de amônio, que é equipada com uma divisória defletora. Ao passar, o gás se mistura com os materiais dopantes e entra no espaço de processamento para obter uma dopagem uniforme.
Tratamento térmico de alta temperatura
O tratamento térmico de alta temperatura é outra etapa fundamental na produção de ânodos de silício-carbono. O material precursor compósito é carbonizado em atmosfera inerte. A temperatura de calcinação é tipicamente de 1000–1500 °C e a duração é de 2–5 horas. Esse processo permite que a fonte de carbono orgânico se decomponha e forme uma rede condutora. Também fortalece a ligação entre os materiais de silício e carbono.
O equipamento de tratamento térmico é normalmente um forno tubular ou rotativo. É necessário um controle preciso do perfil de temperatura e da composição atmosférica, para evitar a oxidação ou o crescimento excessivo de partículas de silício.
Uma equipe da Universidade Central do Sul desenvolveu uma tecnologia de silício nanocristalino com aprimoramento de defeitos. Eles utilizam resíduos da indústria de silício cristalino e um processo de tratamento térmico para criar ânodos de silício de alto desempenho. A carga de silício atinge até 80 wt%.
Comparação dos principais métodos de preparação de ânodo de silício-carbono
| Método de preparação | Características técnicas | Vantagens | Desvantagens | Cenários aplicáveis |
| Deposição química de vapor (CVD) | Decomposição térmica e deposição de silano em carbono poroso | A combinação de silício-carbono é firme, a estabilidade do ciclo é boa e a primeira eficiência é alta | O silano tem alto custo e riscos à segurança | Baterias de alta potência |
| Moagem de areia | Moagem mecânica de compósito de silício e grafite | Processo simples, baixo custo, adequado para produção industrial | Difícil controlar o tamanho das partículas, fácil de aglomerar e muitas impurezas | Aplicações de médio e baixo custo |
| Método sol-gel | Composto de silício-carbono através do processo sol-gel | A dispersão do material é uniforme e a alta capacidade é mantida | A casca de carbono é fácil de quebrar e o alto teor de oxigênio leva à baixa eficiência inicial | Estágio experimental |
| Método de pirólise de alta temperatura | Decomposição em alta temperatura de precursor de organossilício | Grandes vazios de carbono aliviam a expansão do volume | Má dispersão de silício e camada de carbono irregular | Cenários de aplicação específicos |
| Método de moagem mecânica de bolas | Mistura de força mecânica de materiais de silício e carbono | Processo simples, baixo custo, alta eficiência | Fenômeno grave de aglomeração e desempenho geral | Aplicações de baixo custo |
Pós-processamento
As etapas de pós-processamento dos ânodos de silício-carbono incluem britagem, classificação, tratamento de superfície, sinterização, peneiramento e desmagnetização. Comparados aos ânodos de silício-oxigênio, os ânodos de silício-carbono exigem mais atenção à liberação de tensões de expansão e à estabilidade da superfície do filme SEI (Interfase Eletrolítica Sólida).
Alguns processos inovadores, como o método proposto na patente CN119994008A, utilizam uma distribuição de tamanho de partículas cuidadosamente projetada para as partículas do material primário à base de silício na pasta anódica. A primeira partícula tem um D50 de 3 a 8 μm, a segunda partícula tem um D50 de 7 a 12 μm e a terceira partícula à base de carbono tem um D50 de 13 a 16 μm. Esse projeto permite que as folhas anódicas à base de silício preparadas mantenham alta estabilidade de ciclo e alta densidade de energia sem a necessidade de processos de laminação tradicionais.
Pó épico
A EPIC Powder está na vanguarda do avanço da produção de materiais de ânodo à base de silício. Com expertise no processamento de pós de nano-silício, precursores de compósitos e tratamentos de revestimento de carbono, a EPIC Powder está bem equipada para atender à crescente demanda por materiais de bateria de alto desempenho. À medida que a indústria continua a evoluir, as soluções inovadoras da EPIC Powder desempenham um papel fundamental no aumento da densidade energética e da estabilidade do ciclo, contribuindo para o desenvolvimento de baterias de íons de lítio de próxima geração para veículos elétricos e armazenamento de energia.