กระบวนการผลิตและอุปกรณ์สำหรับวัสดุแอโนดซิลิกอน-คาร์บอนมีอะไรบ้าง?

ขั้วบวกซิลิกอน-คาร์บอนเนื่องจากเป็นเส้นทางเทคโนโลยีหลักอีกเส้นทางหนึ่ง จึงมีความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญในกระบวนการผลิตเมื่อเทียบกับ ขั้วบวกซิลิกอน-ออกซิเจนความแตกต่างหลักอยู่ที่การเตรียมผงนาโนซิลิกอนและวิธีการประกอบกับวัสดุที่มีคาร์บอน โดยอิงตามกระบวนการเตรียมที่แตกต่างกัน แอโนดซิลิกอน-คาร์บอนแบ่งออกเป็นสองวิธีทางเทคนิคหลักๆ ได้แก่ วิธีการบดทรายและ เคมี การสะสมไอ (CVD) ในบรรดานี้ CVD ถือเป็นแนวทางที่มีแนวโน้มมากที่สุดสำหรับการพัฒนาในอนาคต

การเตรียมผงนาโนซิลิกอน

การเตรียมผงนาโนซิลิกอนเป็นขั้นตอนสำคัญในการผลิตแอโนดซิลิกอน-คาร์บอน ปัจจุบันมีวิธีการผลิตทางอุตสาหกรรมหลักอยู่ 3 วิธี ได้แก่ การผลิตด้วยเครื่องจักร การบดลูกบอลการสะสมไอเคมี (CVD) และการควบแน่นด้วยการระเหยของพลาสมา (PVD) แม้ว่าวิธีการบดลูกบอลเชิงกลจะง่ายและคุ้มต้นทุน แต่ประสิทธิภาพการผลิตค่อนข้างต่ำ และมีแนวโน้มที่จะเกิดสิ่งเจือปน ทำให้ไม่เหมาะสำหรับการผลิตในอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ วิธีการการสะสมไอเคมี (CVD) ใช้ไซเลน (SiH₄) เป็นวัสดุปฏิกิริยา และผ่านการสลายตัวด้วยความร้อนของ CVD จึงผลิตผงนาโนซิลิกอนที่มีความบริสุทธิ์สูงได้ ขนาดอนุภาค สามารถควบคุมได้ระหว่าง 20-100 นาโนเมตร

การเตรียมขั้วบวกซิลิกอน-คาร์บอนโดยการบดทราย

วิธีการบดทรายเพื่อผลิตขั้วบวกซิลิกอน-คาร์บอนค่อนข้างเป็นแบบดั้งเดิม กระบวนการนี้ประกอบด้วยการบดซิลิกอนจำนวนมาก (โดยปกติมาจากกระบวนการไตรคลอโรไซเลน) ให้เป็นผงนาโนซิลิกอนโดยใช้เครื่องบดทราย จากนั้นจึงผสมกับวัสดุกราไฟต์ ในกระบวนการบดทราย ผงซิลิกอนจะถูกผสมกับตัวทำละลายในปริมาณที่เหมาะสมเพื่อสร้างเป็นสารละลาย จากนั้นจึงส่งไปยังเครื่องบดทรายผ่านปั๊มไดอะแฟรม

ภายใต้การหมุนด้วยความเร็วสูงของโครงสร้างโรเตอร์และตัวบด จะทำให้ได้อนุภาคที่ละเอียดและกระจายตัว ตัวบดโดยทั่วไปประกอบด้วยลูกบอลเซอร์โคเนียขนาด 3 มม. และ 5 มม. โดยมีอัตราส่วนมวล 1:1 และอัตราส่วนน้ำหนักวัสดุต่อตัวบด 3:1 เวลาในการบดคือ 1 ถึง 3 ชั่วโมง หลังจากการบด ตัวบดและวัสดุจะถูกแยกออกผ่านการกรอง การปั่นเหวี่ยง หรือวิธีอื่นเพื่อให้ได้สารละลายนาโนซิลิกอน ข้อเสียของวิธีนี้คือการควบคุมได้ยาก ขนาดอนุภาค, การนำเข้าสิ่งเจือปนได้ง่าย และแนวโน้มของอนุภาคที่จะรวมตัวกัน

กระบวนการผสมและเคลือบ

คอมโพสิตและ การเคลือบ กระบวนการต่างๆ มีความสำคัญต่อประสิทธิภาพของแอโนดซิลิกอน-คาร์บอน วิธีการที่สร้างสรรค์ใหม่เกี่ยวข้องกับการผสมนาโนซิลิกอน คาร์บอนแอโรเจล คาร์บอนนาโนทิวบ์ กราไฟท์ สารเจือปน (เช่น ไฮดราซีนไฮเดรต แอมโมเนียมไบคาร์บอเนต เป็นต้น) และสารกระจายตัวในอัตราส่วนเฉพาะ (5–15:20–30:1–10:5–10:5–10:1–5:40–60) จากนั้นจึงกระจายส่วนผสมด้วยคลื่นเสียงความถี่สูง และบดด้วยทรายเพื่อสร้างเป็นสารละลาย สารละลายนี้จะถูกทำให้แห้งด้วยการพ่นและการทำให้เป็นเม็ด ในขณะเดียวกันก็จะถูกเคลือบด้วยคาร์บอน ส่งผลให้ได้วัสดุแอโนดที่ทำจากซิลิกอนที่มีลักษณะคล้ายฟองน้ำที่ถูกเจือปน

อุปกรณ์การผลิตเฉพาะทางประกอบด้วยโมดูลต่างๆ ดังนี้:

1. โมดูลส่งมอบสารละลาย (พร้อมหัวฉีด)
2. โมดูลการส่งและให้ความร้อนแก๊ส (สำหรับแก๊สเฉื่อย แก๊สเคลือบ และแก๊สโด๊ป)
3. โมดูลห้องการประมวลผล (สำหรับการทำให้แห้ง การพ่นเม็ด และการเคลือบคาร์บอน)
4. โมดูลการรวบรวม

ห้องประมวลผลประกอบด้วยสารเจือปน เช่น แอมโมเนียมไบคาร์บอเนต ซึ่งติดตั้งด้วยแผ่นกั้น เมื่อก๊าซผ่านเข้าไป ก๊าซจะผสมกับสารเจือปน จากนั้นจึงเข้าสู่พื้นที่ประมวลผลเพื่อให้เกิดการเจือปนที่สม่ำเสมอ

การอบชุบด้วยความร้อนอุณหภูมิสูง

การอบชุบด้วยความร้อนที่อุณหภูมิสูงเป็นอีกขั้นตอนสำคัญในการผลิตแอโนดซิลิกอน-คาร์บอน วัสดุสารตั้งต้นแบบผสมจะถูกทำให้เป็นคาร์บอนในบรรยากาศเฉื่อย อุณหภูมิในการเผาโดยทั่วไปอยู่ที่ 1,000–1,500°C และใช้เวลา 2–5 ชั่วโมง กระบวนการนี้ช่วยให้แหล่งคาร์บอนอินทรีย์สลายตัวและสร้างเครือข่ายตัวนำไฟฟ้าได้ นอกจากนี้ยังช่วยเสริมความแข็งแรงให้กับพันธะระหว่างซิลิกอนและวัสดุคาร์บอนอีกด้วย

อุปกรณ์อบชุบด้วยความร้อนโดยทั่วไปจะเป็นเตาท่อหรือเตาหมุน จำเป็นต้องควบคุมโปรไฟล์อุณหภูมิและองค์ประกอบของบรรยากาศอย่างแม่นยำ ซึ่งจำเป็นเพื่อป้องกันการเกิดออกซิเดชันของอนุภาคซิลิกอนหรือการเจริญเติบโตที่มากเกินไป

ทีมจากมหาวิทยาลัยเซ็นทรัลเซาท์พัฒนาเทคโนโลยีซิลิคอนผลึกระดับนาโนที่มีข้อบกพร่อง โดยใช้ของเสียจากอุตสาหกรรมซิลิคอนผลึกและกระบวนการอบชุบด้วยความร้อนเพื่อสร้างแอโนดซิลิคอนประสิทธิภาพสูง โดยปริมาณซิลิคอนที่บรรจุได้จะสูงถึง 80 wt%

การเปรียบเทียบวิธีการเตรียมหลักของแอโนดซิลิกอน-คาร์บอน

หลังการประมวลผล

ขั้นตอนหลังการประมวลผลสำหรับแอโนดซิลิกอน-คาร์บอน ได้แก่ การบด การจำแนกประเภท การบำบัดพื้นผิว การเผาผนึก การคัดกรอง และการกำจัดแม่เหล็ก เมื่อเปรียบเทียบกับแอโนดซิลิกอน-ออกซิเจน แอโนดซิลิกอน-คาร์บอนต้องให้ความสำคัญกับการปลดปล่อยแรงเครียดจากการขยายตัวและความเสถียรของฟิล์ม SEI (Solid Electrolyte Interphase) บนพื้นผิวมากกว่า

กระบวนการนวัตกรรมบางอย่าง เช่น วิธีการที่เสนอในสิทธิบัตร CN119994008A ใช้การกระจายขนาดอนุภาคที่ออกแบบมาอย่างพิถีพิถันสำหรับอนุภาควัสดุหลักที่เป็นซิลิกอนในสารละลายแอโนด อนุภาคแรกมี D50 ที่ 3–8 μm อนุภาคที่สองมี D50 ที่ 7–12 μm และอนุภาคคาร์บอนที่สามมี D50 ที่ 13–16 μm การออกแบบนี้ช่วยให้แผ่นแอโนดที่เป็นซิลิกอนที่เตรียมไว้สามารถรักษาเสถียรภาพของรอบสูงและความหนาแน่นของพลังงานได้โดยไม่ต้องใช้กระบวนการรีดแบบดั้งเดิม

ผงมหากาพย์

EPIC Powder เป็นผู้นำด้านการพัฒนาการผลิตวัสดุขั้วบวกที่ทำจากซิลิกอน ด้วยความเชี่ยวชาญด้านการประมวลผลผงซิลิกอนนาโน สารตั้งต้นแบบผสม และการเคลือบคาร์บอน EPIC Powder จึงพร้อมที่จะรองรับความต้องการวัสดุแบตเตอรี่ประสิทธิภาพสูงที่เพิ่มมากขึ้น ในขณะที่อุตสาหกรรมยังคงพัฒนาต่อไป โซลูชันนวัตกรรมของ EPIC Powder มีบทบาทสำคัญในการเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานและความเสถียรของวงจร ซึ่งมีส่วนช่วยในการพัฒนาแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนรุ่นต่อไปสำหรับยานยนต์ไฟฟ้าและแหล่งกักเก็บพลังงาน