ขั้วบวกซิลิกอน-คาร์บอนเนื่องจากเป็นเส้นทางเทคโนโลยีหลักอีกเส้นทางหนึ่ง จึงมีความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญในกระบวนการผลิตเมื่อเทียบกับ ขั้วบวกซิลิกอน-ออกซิเจน. ความแตกต่างหลักอยู่ที่วิธีการเตรียมผงนาโนซิลิคอนและวิธีการผสมกับวัสดุคาร์บอน โดยอาศัยกระบวนการเตรียมที่แตกต่างกัน ขั้วบวกซิลิคอน-คาร์บอนจึงแบ่งออกเป็นสองวิธีหลักๆ คือ วิธีการบดด้วยทรายและวิธีการตกตะกอนไอสารเคมี (CVD) ในบรรดาวิธีเหล่านี้ CVD ถือเป็นแนวทางที่มีศักยภาพมากที่สุดสำหรับการพัฒนาในอนาคต.
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
ภายใต้การหมุนด้วยความเร็วสูงของโครงสร้างโรเตอร์และตัวกลางบด ทำให้เกิดการปรับขนาดและการกระจายตัวของอนุภาค ตัวกลางบดโดยทั่วไปประกอบด้วยลูกบอลเซอร์โคเนียขนาด 3 มม. และ 5 มม. โดยมีอัตราส่วนมวล 1:1 และอัตราส่วนน้ำหนักของวัสดุต่อตัวกลาง 3:1 ระยะเวลาการบดคือ 1 ถึง 3 ชั่วโมง หลังจากบดแล้ว ตัวกลางและวัสดุจะถูกแยกออกจากกันโดยการกรอง การเห centrifuging หรือวิธีการอื่น ๆ เพื่อให้ได้สารละลายนาโนซิลิคอน ข้อเสียของวิธีนี้คือควบคุมขนาดอนุภาคได้ยาก มีสิ่งเจือปนได้ง่าย และมีแนวโน้มที่อนุภาคจะจับตัวเป็นก้อน.
กระบวนการผสมและเคลือบ
กระบวนการผลิตและเคลือบผิววัสดุคอมโพสิตมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อประสิทธิภาพของขั้วบวกซิลิคอน-คาร์บอน วิธีการใหม่ที่ใช้คือการผสมนาโนซิลิคอน แอโรเจลคาร์บอน ท่อนาโนคาร์บอน กราไฟต์ สารเจือปน (เช่น ไฮดราซีนไฮเดรต แอมโมเนียมไบคาร์บอเนต เป็นต้น) และสารช่วยกระจายตัวในอัตราส่วนที่กำหนด (5–15:20–30:1–10:5–10:5–10:1–5:40–60) จากนั้นจึงทำการกระจายตัวของส่วนผสมด้วยคลื่นอัลตราโซนิคและบดด้วยทรายจนเป็นสารละลายข้น สารละลายข้นนี้จะถูกนำไปอบแห้งแบบสเปรย์และขึ้นรูปเป็นเม็ด ในขณะเดียวกันก็ทำการเคลือบด้วยคาร์บอนไปด้วย ทำให้ได้วัสดุขั้วบวกซิลิคอนที่มีลักษณะคล้ายฟองน้ำและมีสารเจือปน.
อุปกรณ์การผลิตเฉพาะทางประกอบด้วยโมดูลต่างๆ ดังนี้:
- โมดูลส่งมอบสารละลาย (พร้อมหัวฉีด)
- โมดูลการส่งและให้ความร้อนแก๊ส (สำหรับแก๊สเฉื่อย แก๊สเคลือบ และแก๊สโด๊ป)
- โมดูลห้องการประมวลผล (สำหรับการทำให้แห้ง การพ่นเม็ด และการเคลือบคาร์บอน)
- 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
| วิธีการเตรียม | คุณสมบัติทางเทคนิค | ข้อดี | ข้อเสีย | สถานการณ์ที่สามารถนำไปใช้ได้ |
| การสะสมไอเคมี (CVD) | การสลายตัวด้วยความร้อนของไซเลนและการสะสมบนคาร์บอนที่มีรูพรุน | การผสมผสานซิลิกอน-คาร์บอนมีความแน่น ความเสถียรของวงจรดี และประสิทธิภาพแรกสูง | ไซเลนมีต้นทุนและความเสี่ยงด้านความปลอดภัยสูง | แบตเตอรี่พลังงานสูง |
| การสีทราย | การเจียรเชิงกลของคอมโพสิตซิลิกอนและกราไฟท์ | กระบวนการง่าย ต้นทุนต่ำ เหมาะกับการผลิตในภาคอุตสาหกรรม | ยากที่จะควบคุมขนาดอนุภาค จับตัวกันง่าย และมีสิ่งเจือปนมากมาย | แอพพลิเคชั่นระดับกลางและระดับล่าง |
| วิธีโซลเจล | คอมโพสิตซิลิกอน-คาร์บอนผ่านกระบวนการโซลเจล | การกระจายตัวของวัสดุสม่ำเสมอ รักษาความจุสูงไว้ได้ | เปลือกคาร์บอนแตกง่าย และมีปริมาณออกซิเจนสูง ทำให้ประสิทธิภาพเริ่มต้นต่ำ | ขั้นทดลอง |
| วิธีการไพโรไลซิสอุณหภูมิสูง | การสลายตัวของสารตั้งต้นออร์แกโนซิลิกอนที่อุณหภูมิสูง | ช่องว่างคาร์บอนขนาดใหญ่ช่วยบรรเทาการขยายตัวของปริมาตร | การกระจายตัวของซิลิกอนไม่ดีและชั้นคาร์บอนไม่สม่ำเสมอ | สถานการณ์การใช้งานเฉพาะ |
| วิธีการบดลูกบอลเชิงกล | แรงผสมทางกลของวัสดุซิลิกอนและคาร์บอน | กระบวนการง่าย ต้นทุนต่ำ ประสิทธิภาพสูง | ปรากฏการณ์การรวมตัวที่ร้ายแรงและประสิทธิภาพโดยรวม | แอพพลิเคชันระดับล่าง |
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