В процессе производства анод на основе кремния Выбор и конфигурация специального оборудования для электродов напрямую влияют на качество продукции и эффективность производства. По сравнению с традиционным производством графитовых отрицательных электродов, оборудование для производства кремниевых анодных электродов предъявляет более высокие технические требования. Кроме того, оно обеспечивает более строгий контроль точности. Производство кремний-кислородных и кремний-углеродных отрицательных электродов имеет различные технологические характеристики. Основное оборудование также отличается. Однако некоторые общие характеристики оборудования могут быть общими. Далее будут подробно описаны основные характеристики оборудования и технические характеристики производства кремниевых отрицательных электродов.
Система сублимационной печи
Система сублимационной печи является основным оборудованием для подготовки прекурсоров анода на основе оксида кремния. Она в основном используется для синтеза монооксида кремния (SiOx). Современные сублимационные печи, как правило, имеют вертикальную конструкцию. Они разделены на две функциональные зоны: нижнюю зону нагрева и верхнюю зону осаждения. Зона нагрева использует среднечастотный индукционный нагрев или нагрев кремний-молибденовым стержнем. Температура достигает 1200–1800 °C. Зона осаждения оснащена водоохлаждаемым сборным поддоном. Система теплообмена контролирует температуру конденсации, которая находится в диапазоне 400–800 °C. Сублимационная печь работает в вакууме или среде низкого давления (0,01–1000 Па). Для ее работы требуется высокопроизводительная система вакуумного насоса и система контроля давления. Современные сублимационные печи интегрируют системы онлайн-мониторинга. Эти системы контролируют распределение температуры и скорость сублимации в режиме реального времени. Они обеспечивают однородность и стабильность состава SiOx.
Оборудование для получения нанокремния
Оборудование для композитной обработки и диспергирования является важнейшим компонентом кремниевых анодов. Оно включает в себя высокоскоростные смесители, бисерные мельницы и ультразвуковые диспергирующие системы. Для бисерного измельчения обычно используются горизонтальные бисерные мельницы. Они оснащены измельчающими телами из диоксида циркония или карбида вольфрама (со смесью зерен 3 и 5 мм). Интенсивность и время измельчения точно контролируются в зависимости от свойств материала. Компания Shanghai Shanshan Technology инновационно сочетает ультразвуковое диспергирование с бисерным измельчением. В этом сочетании используется регулируемая предварительная ультразвуковая обработка для разрушения агломератов частиц. Последующее бисерное измельчение измельчает частицы, значительно улучшая их дисперсию.
Композитное и дисперсионное оборудование
Оборудование для композитной обработки и диспергирования является важнейшим компонентом кремниевых анодов. Оно включает в себя высокоскоростные смесители, бисерные мельницы и ультразвуковые диспергирующие системы. Для бисерного измельчения обычно используются горизонтальные бисерные мельницы. Они оснащены мелющими телами из диоксида циркония или карбида вольфрама (со смесью зерен 3 и 5 мм). Интенсивность и время измельчения точно контролируются в зависимости от свойств материала.
Оборудование для грануляции и сушки
Оборудование для грануляции и сушки преобразует порошок нанокремния или монооксида кремния во вторичные частицы для дальнейшей обработки. Распылительные сушилки являются наиболее часто используемым оборудованием для грануляции. Они распыляют кремниевую суспензию, смешанную со связующими, на мелкие капли. Горячий воздух быстро высушивает капли, превращая их в частицы. Система вторичной грануляции, разработанная исследовательским институтом, использует специально разработанные распылители и системы циркуляции горячего воздуха. Эти системы производят однородные частицы в диапазоне 30–50 мкм, улучшая текучесть ультрадисперсных порошков. Для систем на основе растворителей также могут использоваться вакуумные сушилки или дисковые сушилки. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы предотвратить взрывы и проблемы с рекуперацией растворителя. Новые установки грануляции-сушки в псевдоожиженном слое объединяют методы псевдоожижения и распыления. Эти системы обеспечивают более высокую эффективность грануляции и лучшую прочность частиц. Они постепенно применяются в высокотехнологичном производстве кремниевых анодов.
Оборудование для нанесения покрытий и термообработки
Оборудование для нанесения покрытий и термообработки повышает электрохимические характеристики кремниевых анодов. К нему относятся системы CVD с псевдоожиженным слоем, вращающиеся печи и трубчатые печи. Реактор с псевдоожиженным слоем идеально подходит для нанесения углеродного покрытия на кремнийоксидные аноды. Благодаря точному контролю скорости псевдоожижающего газа (начальная настройка 8 л/с) и температуры (600–1000 °C) осаждается равномерный слой углерода. Усовершенствованные системы с псевдоожиженным слоем оснащены предварительными нагревателями (температура предварительного нагрева ≥400 °C) и теплообменниками. Эти системы снижают энергопотребление и минимизируют колебания температуры. Для карбонизации кремнийуглеродных анодов используются вращающиеся печи или печи с толкающими пластинами. Диапазон температур обычно составляет 1000–1500 °C, а время обработки — 2–5 часов.
Оборудование для последующей обработки
Оборудование для последующей обработки включает в себя: дробление, классификация, обработка поверхности, и упаковочные устройства. Пневматические мельницы являются основным оборудованием для сверхтонкого измельчения. В этих мельницах используется конструкция столкновительного типа, чтобы избежать загрязнения металлами. Они измельчают материалы до желаемого размера частиц (обычно D50 < 10 мкм). Система классификации использует пневматические классификаторы для точной классификации на основе аэродинамики частиц. Оборудование для обработки поверхности включает в себя модифицирующие смесители и машины для нанесения покрытий. Они наносят функциональные покрытия на материалы на основе кремния. Магнитные сепараторы удаляют металлические примеси, попадающие в процессе подготовки сырья или производства. Обычно они используют многоступенчатую магнитную сепарацию с высоким градиентом. Упаковочное оборудование работает в сухой атмосфере или вакуумной среде. Это предотвращает поглощение влаги и окисление материалов на основе кремния.
Система автоматического управления
Система автоматизированного управления является нервным центром современных линий по производству кремниевых анодов. Она координирует управление различными процессами и собирает данные. Типичные системы управления включают модули управления температурой и расходом. Эти модули контролируют ключевые параметры, такие как температура реакции в сублимационной печи, температура осаждения в зоне осаждения, температура реакции в псевдоожиженном слое и температура подогревателя. Система также собирает производственные данные, такие как выход продукта из сублимационной печи, подача материала в псевдоожиженный слой, расход газа и выход. Эти данные используются для оптимизации процесса и обеспечения контроля качества. Передовые заводы применяют MES (системы управления производством) и промышленные интернет-технологии. Эти технологии обеспечивают цифровое и интеллектуальное управление всем производственным процессом.
| Тип оборудования | Основная функция | Основные технические параметры |
| Система сублимационной печи | Синтез и осаждение SiOx | Температура 1200-1800℃, давление 0,01-1000Па |
| Оборудование для химического осаждения из газовой фазы нанокремния | Приготовление нанопорошка кремния | Разложение силана, размер частиц 20-100 нм |
| Оборудование для PVD-напыления нанокристаллического кремния | Получение высокочистого нанокремния | Плазменное испарение-конденсация, размер частиц <100 нм |
| Система дисперсии песчаной мельницы | Кремний-углеродный композит и его усовершенствование | Мелющие тела 3/5 мм, время 1-3 ч |
| Башня грануляции распылением | Вторичная подготовка частиц | Размер частицы 30-50 мкм |
| Система химического осаждения из газовой фазы в псевдоожиженном слое | Обработка углеродным покрытием | Температура 600-1000℃, скорость газа 8л/с |
| Агломерационная печь с защитой атмосферы | Карбонизация термическая обработка | Температура 1000-1500℃, время 2-5 часов |
| Система воздушно-струйного измельчения и классификации | Ультратонкая сортировка и классификация | D50<10 мкм, многоуровневая классификация |
Заключение
Производство кремниевых анодов стремительно развивается. Производственное оборудование развивается в сторону увеличения масштабов, непрерывности производства и автоматизации. Например, традиционные сублимационные печи периодического действия заменяются печами непрерывной подачи. Несколько псевдоожиженных слоёв соединены последовательно. Это обеспечивает последовательное нанесение покрытия на различные функциональные слои. Используются технологии искусственного интеллекта (ИИ), которые оптимизируют параметры процесса и прогнозируют качество. Эти технологические достижения ещё больше повысят эффективность производства кремниевых анодов. Они также улучшат стабильность качества продукции и конкурентоспособность по цене. Это ускорит их широкомасштабное применение в производстве высокотехнологичных аккумуляторов.