ในกระบวนการผลิตของ ขั้วบวกแบบซิลิกอน การเลือกและการกำหนดค่าอุปกรณ์พิเศษของอิเล็กโทรดส่งผลโดยตรงต่อคุณภาพและประสิทธิภาพการผลิตของผลิตภัณฑ์ เมื่อเทียบกับการผลิตอิเล็กโทรดลบกราไฟต์แบบดั้งเดิม อุปกรณ์การผลิตอิเล็กโทรดแอโนดที่ใช้ซิลิคอนมีข้อกำหนดทางเทคนิคที่สูงกว่า และยังมีความแม่นยำในการควบคุมที่เข้มงวดกว่า อิเล็กโทรดลบซิลิคอน-ออกซิเจนและซิลิคอน-คาร์บอนมีลักษณะกระบวนการที่แตกต่างกัน อุปกรณ์หลักของแต่ละอิเล็กโทรดก็มีความแตกต่างกันบ้าง แต่อุปกรณ์ทั่วไปบางอย่างก็สามารถใช้ร่วมกันได้ ต่อไปนี้จะอธิบายรายละเอียดเกี่ยวกับอุปกรณ์หลักและคุณสมบัติทางเทคนิคในการผลิตอิเล็กโทรดลบซิลิคอน
ระบบเตาเผาแบบระเหิด
ระบบเตาเผาแบบระเหิดเป็นอุปกรณ์หลักสำหรับการเตรียมสารตั้งต้นของแอโนดซิลิคอน-ออกไซด์ โดยส่วนใหญ่ใช้สำหรับการสังเคราะห์ซิลิคอนมอนอกไซด์ (SiOx) เตาเผาแบบระเหิดสมัยใหม่มักออกแบบเป็นแนวตั้ง แบ่งออกเป็นสองส่วนการทำงาน ได้แก่ โซนทำความร้อนด้านล่างและโซนสะสมด้านบน โซนทำความร้อนใช้การเหนี่ยวนำความถี่ปานกลางหรือการให้ความร้อนด้วยแท่งซิลิคอน-โมลิบดีนัม อุณหภูมิจะอยู่ระหว่าง 1,200–1,800 องศาเซลเซียส โซนสะสมมีถาดรองที่ระบายความร้อนด้วยน้ำ ระบบแลกเปลี่ยนความร้อนจะควบคุมอุณหภูมิการควบแน่น ซึ่งอยู่ในช่วง 400–800 องศาเซลเซียส เตาเผาแบบระเหิดทำงานในสภาพแวดล้อมสุญญากาศหรือความดันต่ำ (0.01–1,000 ปาสกาล) ต้องใช้ระบบปั๊มสุญญากาศประสิทธิภาพสูงและระบบควบคุมความดัน เตาเผาแบบระเหิดขั้นสูงผสานรวมระบบตรวจสอบแบบออนไลน์ ระบบเหล่านี้จะตรวจสอบการกระจายตัวของอุณหภูมิและอัตราการระเหิดแบบเรียลไทม์ ช่วยให้มั่นใจได้ถึงความสม่ำเสมอและความเสถียรขององค์ประกอบ SiOx
อุปกรณ์เตรียมนาโนซิลิคอน
อุปกรณ์คอมโพสิตและดิสเพอร์ชันเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับแอโนดซิลิคอน ซึ่งประกอบด้วยเครื่องผสมความเร็วสูง เครื่องบดลูกปัด และระบบดิสเพอร์ชันอัลตราโซนิก สำหรับกระบวนการบดลูกปัด เครื่องบดลูกปัดแนวนอนเป็นที่นิยมใช้กันทั่วไป ซึ่งติดตั้งวัสดุบดเซอร์โคเนียหรือทังสเตนคาร์ไบด์ (ผสม 3 มม. และ 5 มม.) ความเข้มข้นและเวลาในการบดจะถูกควบคุมอย่างแม่นยำตามคุณสมบัติของวัสดุ Shanghai Shanshan Technology ได้ผสานการกระจายตัวด้วยอัลตราโซนิกเข้ากับการบดลูกปัดอย่างสร้างสรรค์ การผสมผสานนี้ใช้การปรับสภาพล่วงหน้าด้วยอัลตราโซนิกที่ปรับได้เพื่อสลายกลุ่มอนุภาค หลังจากนั้น การบดลูกปัดจะช่วยปรับสภาพอนุภาคให้ละเอียดขึ้น ซึ่งช่วยปรับปรุงการกระจายตัวอย่างมีนัยสำคัญ
อุปกรณ์คอมโพสิตและการกระจายตัว
อุปกรณ์คอมโพสิตและดิสเพอร์ชันเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับแอโนดซิลิคอน ซึ่งประกอบด้วยเครื่องผสมความเร็วสูง เครื่องบดลูกปัด และระบบดิสเพอร์ชันอัลตราโซนิก สำหรับกระบวนการบดลูกปัด เครื่องบดลูกปัดแนวนอนมักถูกนำมาใช้ เครื่องบดเหล่านี้ติดตั้งตัวบดเซอร์โคเนียหรือทังสเตนคาร์ไบด์ (ขนาดผสม 3 มม. และ 5 มม.) ความเข้มข้นและเวลาในการบดจะถูกควบคุมอย่างแม่นยำตามคุณสมบัติของวัสดุ
อุปกรณ์การอัดเม็ดและการอบแห้ง
อุปกรณ์ทำแกรนูลและอบแห้งจะแปลงผงนาโนซิลิคอนหรือซิลิคอนมอนอกไซด์ให้เป็นอนุภาคทุติยภูมิเพื่อนำไปแปรรูปต่อไป เครื่องทำแกรนูลแบบพ่นฝอยเป็นอุปกรณ์ทำแกรนูลที่นิยมใช้มากที่สุด เครื่องทำแกรนูลนี้จะทำการทำให้สารละลายซิลิคอนที่ผสมกับสารยึดเกาะกลายเป็นละอองขนาดเล็ก อากาศร้อนจะทำให้ละอองแห้งอย่างรวดเร็วจนกลายเป็นอนุภาค ระบบแกรนูลทุติยภูมิที่สถาบันวิจัยพัฒนาขึ้นใช้เครื่องพ่นฝอยและระบบหมุนเวียนอากาศร้อนที่ออกแบบมาเป็นพิเศษ ระบบเหล่านี้ผลิตอนุภาคที่มีขนาดสม่ำเสมอในช่วง 30–50 ไมโครเมตร ซึ่งช่วยเพิ่มความสามารถในการไหลของผงละเอียดมาก สำหรับระบบที่ใช้ตัวทำละลาย สามารถใช้เครื่องทำแกรนูลแบบสุญญากาศหรือเครื่องทำแกรนูลแบบจานได้เช่นกัน ต้องระมัดระวังเพื่อป้องกันปัญหาการระเบิดและการกู้คืนตัวทำละลาย เครื่องอบแห้งแกรนูลแบบฟลูอิไดซ์เบดรุ่นใหม่ผสมผสานเทคนิคการทำให้แกรนูลแบบฟลูอิไดเซชันและแบบพ่นฝอยเข้าด้วยกัน ระบบเหล่านี้มีประสิทธิภาพในการทำแกรนูลที่สูงขึ้นและความแข็งแรงของอนุภาคที่ดีขึ้น ระบบเหล่านี้กำลังถูกนำไปใช้ในการผลิตแอโนดซิลิคอนระดับไฮเอนด์
อุปกรณ์เคลือบและอบชุบด้วยความร้อน
การเคลือบ และอุปกรณ์สำหรับอบชุบด้วยความร้อนช่วยเพิ่มประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าของแอโนดซิลิคอน ซึ่งรวมถึงระบบ CVD แบบฟลูอิไดซ์เบด เตาหมุน และเตาเผาแบบท่อ เครื่องปฏิกรณ์ฟลูอิไดซ์เบดเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการเคลือบคาร์บอนของแอโนดซิลิคอนออกไซด์ ด้วยการควบคุมความเร็วของก๊าซฟลูอิไดซ์เบด (ค่าเริ่มต้น 8 ลิตร/วินาที) และอุณหภูมิ (600–1000°C) อย่างแม่นยำ จึงทำให้เกิดชั้นคาร์บอนที่สม่ำเสมอ ระบบฟลูอิไดซ์เบดขั้นสูงมีเครื่องอุ่นล่วงหน้า (อุณหภูมิอุ่นล่วงหน้า ≥400°C) และเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ระบบเหล่านี้ช่วยลดการใช้พลังงานและลดความผันผวนของอุณหภูมิ สำหรับการบำบัดด้วยคาร์บอนของแอโนดซิลิคอน-คาร์บอน จะใช้เตาหมุนหรือเตาเผาแบบแผ่นกด โดยทั่วไปอุณหภูมิจะอยู่ที่ 1000–1500°C โดยใช้เวลา 2-5 ชั่วโมง
อุปกรณ์หลังการรักษา
อุปกรณ์หลังการรักษาประกอบด้วย การบดขยี้, การจัดหมวดหมู่, การบำบัดพื้นผิวและอุปกรณ์บรรจุภัณฑ์ เครื่องบดแบบ Airflow เป็นอุปกรณ์หลักสำหรับการบดละเอียดพิเศษ เครื่องบดเหล่านี้ใช้การออกแบบแบบชนกันเพื่อหลีกเลี่ยงการปนเปื้อนของโลหะ เครื่องบดเหล่านี้บดวัสดุให้ได้ขนาดที่ต้องการ ขนาดอนุภาค (โดยทั่วไปคือ D50<10μm) ระบบการจำแนกประเภทใช้เครื่องจำแนกประเภทแบบไหลผ่านอากาศเพื่อการจำแนกประเภทที่แม่นยำตามหลักอากาศพลศาสตร์ของอนุภาค อุปกรณ์ปรับสภาพพื้นผิวประกอบด้วยเครื่องผสมแบบปรับเปลี่ยนและเครื่องเคลือบ ซึ่งจะนำสารเคลือบที่ใช้งานได้จริงมาใช้กับวัสดุที่มีซิลิคอนเป็นส่วนประกอบ เครื่องแยกแม่เหล็กจะกำจัดสิ่งเจือปนโลหะที่ปนเปื้อนระหว่างการเตรียมหรือการผลิตวัตถุดิบ โดยทั่วไปจะใช้การแยกด้วยแม่เหล็กแบบหลายขั้นตอนที่มีความชันสูง อุปกรณ์บรรจุภัณฑ์ทำงานในบรรยากาศแห้งหรือสุญญากาศ ซึ่งป้องกันไม่ให้วัสดุที่มีซิลิคอนเป็นส่วนประกอบดูดซับความชื้นและเกิดการออกซิไดซ์
ระบบควบคุมอัตโนมัติ
ระบบควบคุมอัตโนมัติเป็นศูนย์กลางของสายการผลิตแอโนดซิลิคอนสมัยใหม่ ทำหน้าที่ประสานงานการควบคุมกระบวนการต่างๆ และรวบรวมข้อมูล ระบบควบคุมทั่วไปประกอบด้วยโมดูลควบคุมอุณหภูมิและการไหล โมดูลเหล่านี้ตรวจสอบพารามิเตอร์สำคัญต่างๆ เช่น อุณหภูมิปฏิกิริยาในเตาระเหิด อุณหภูมิการสะสมในโซนการสะสม อุณหภูมิปฏิกิริยาในฟลูอิไดซ์เบด และอุณหภูมิเครื่องอุ่นล่วงหน้า ระบบยังรวบรวมข้อมูลการผลิต เช่น ผลผลิตของเตาระเหิด ปริมาณวัตถุดิบฟลูอิไดซ์เบด อัตราการไหลของก๊าซ และผลผลิต ข้อมูลเหล่านี้ถูกนำมาใช้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการและช่วยให้สามารถตรวจสอบย้อนกลับคุณภาพได้ โรงงานที่ทันสมัยนำ MES (Manufacturing Execution Systems) และเทคโนโลยีอินเทอร์เน็ตอุตสาหกรรมมาใช้ เทคโนโลยีเหล่านี้ช่วยให้สามารถจัดการกระบวนการผลิตทั้งหมดได้อย่างชาญฉลาดและเป็นระบบดิจิทัล
ประเภทอุปกรณ์ | ฟังก์ชั่นหลัก | พารามิเตอร์ทางเทคนิคที่สำคัญ |
ระบบเตาเผาแบบระเหิด | การสังเคราะห์และการสะสม SiOx | อุณหภูมิ 1200-1800℃ แรงดัน 0.01-1000Pa |
อุปกรณ์ CVD นาโนซิลิคอน | การเตรียมผงนาโนซิลิคอน | การสลายตัวของไซเลน ขนาดอนุภาค 20-100 นาโนเมตร |
อุปกรณ์ PVD นาโนซิลิกอน | การเตรียมซิลิคอนนาโนความบริสุทธิ์สูง | การควบแน่นจากการระเหยของพลาสมา ขนาดอนุภาค <100 นาโนเมตร |
ระบบกระจายทราย | คอมโพสิตซิลิกอน-คาร์บอนและการปรับแต่ง | สื่อบด 3/5 มม. เวลา 1-3 ชม. |
หอพ่นเม็ด | การเตรียมอนุภาครอง | ขนาดอนุภาค 30-50ไมโครเมตร |
ระบบ CVD แบบฟลูอิไดซ์เบด | การเคลือบคาร์บอน | อุณหภูมิ 600-1000℃ ความเร็วแก๊ส 8L/s |
เตาเผาผนึกป้องกันบรรยากาศ | การอบด้วยความร้อนด้วยคาร์บอนไนเซชัน | อุณหภูมิ 1000-1500℃ เวลา 2-5 ชม. |
ระบบการกัดและจำแนกประเภทด้วยเครื่องอัดอากาศ | การจัดเกรดแบบละเอียดพิเศษ และการจำแนกประเภท | D50<10μm การจำแนกประเภทหลายระดับ |
บทสรุป
อุตสาหกรรมแอโนดซิลิคอนกำลังพัฒนาอย่างรวดเร็ว อุปกรณ์การผลิตกำลังพัฒนาไปสู่การผลิตขนาดใหญ่ขึ้น การทำงานต่อเนื่อง และระบบอัตโนมัติ ยกตัวอย่างเช่น เตาเผาระเหิดแบบแบทช์แบบดั้งเดิมกำลังถูกแทนที่ด้วยระบบป้อนต่อเนื่อง ฟลูอิไดซ์เบดหลายชั้นเชื่อมต่อกันเป็นอนุกรม ซึ่งทำให้การเคลือบชั้นฟังก์ชันต่างๆ เป็นไปอย่างต่อเนื่อง เทคโนโลยี AI กำลังถูกนำมาใช้ ซึ่งจะช่วยปรับพารามิเตอร์กระบวนการให้เหมาะสมและคาดการณ์คุณภาพ ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีเหล่านี้จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตแอโนดซิลิคอนให้ดียิ่งขึ้น นอกจากนี้ยังช่วยปรับปรุงความสม่ำเสมอของผลิตภัณฑ์และความสามารถในการแข่งขันด้านต้นทุน ซึ่งจะเร่งการใช้งานในวงกว้างในอุตสาหกรรมแบตเตอรี่กำลังสูง