Silisyum-karbon anot, bir diğer önemli ana akım teknoloji rotası olarak, üretim süreçlerinde diğerlerine kıyasla önemli farklılıklara sahiptir silikon-oksijen anotları. Temel fark, nano-silikon tozunun hazırlanmasında ve karbon bazlı malzemelerle kompozit yönteminde yatmaktadır. Farklı hazırlama süreçlerine dayanarak, silikon-karbon anotlar esas olarak iki teknik rotaya ayrılır: kum öğütme yöntemi ve kimyasal buhar biriktirme (CVD). Bunlar arasında CVD, gelecekteki geliştirme için en umut verici yön olarak kabul edilir.
Nano-Silikon Tozunun Hazırlanması
Nano-silikon tozunun hazırlanması, silikon-karbon anotların üretimindeki temel adımdır. Günümüzde endüstriyel üretimde üç ana yöntem vardır: mekanik bilyalı değirmen, kimyasal buhar biriktirme (CVD) ve plazma buharlaştırma yoğunlaşması (PVD). Mekanik bilyalı öğütme yöntemi basit ve uygun maliyetli olsa da, üretim verimliliği nispeten düşüktür ve kirliliklerin girmesine eğilimlidir, bu da onu büyük ölçekli endüstriyel üretim için uygunsuz hale getirir. Kimyasal buhar biriktirme (CVD) yöntemi, reaksiyon malzemesi olarak silan (SiH₄) kullanır ve termal CVD ayrıştırma yoluyla yüksek saflıkta nano-silikon tozu üretilir, parçacık boyutu 20-100 nm arasında kontrol edilebilir.
Kum Öğütme ile Silisyum-Karbon Anot Hazırlanması
Silisyum-karbon anot üretimi için kum öğütme yöntemi nispeten gelenekseldir. İşlem şunları içerir: toplu silisyumun (genellikle triklorosilan işlemlerinden elde edilir) bir kum değirmeni kullanılarak nano-silisyum tozuna öğütülmesi ve ardından grafit malzemelerle birleştirilmesi. Kum öğütme işleminde, silisyum tozu uygun miktarda çözücü ile karıştırılarak bir bulamaç oluşturulur ve ardından bir diyafram pompası aracılığıyla kum değirmenine iletilir.
Rotor yapısının ve öğütme ortamının yüksek hızlı dönüşü altında, partikül rafine edilmesi ve dağıtılması sağlanır. Öğütme ortamı tipik olarak 1:1 kütle oranına ve 3:1 malzeme-ortam ağırlık oranına sahip 3 mm ve 5 mm zirkonyum bilyelerden oluşur. Öğütme süresi 1 ila 3 saattir. Öğütmeden sonra, nano-silikon bulamacı elde etmek için ortam ve malzemeler filtrasyon, santrifüjleme veya diğer yöntemlerle ayrılır. Bu yöntemin dezavantajları, parçacık boyutu, kirliliklerin kolayca içeri girmesi ve parçacıkların kümeleşme eğilimi.
Bileşik ve Kaplama İşlemi
Kompozit ve kaplama İşlemler, silikon-karbon anotların performansı için kritik öneme sahiptir. Yenilikçi bir yöntem, nano-silikon, karbon aerojelleri, karbon nanotüpleri, grafit, dopantlar (hidrazin hidrat, amonyum bikarbonat vb. gibi) ve dağıtıcıların belirli oranlarda (5–15:20–30:1–10:5–10:5–10:1–5:40–60) karıştırılmasını içerir. Karışım daha sonra ultrasonik olarak dağıtılır ve bir bulamaç oluşturmak için kum öğütülür. Bu bulamaç, püskürtmeli kurutma ve granülasyona tabi tutulur. Aynı zamanda karbon kaplamaya tabi tutulur. Bu, katkılı, sünger benzeri bir silikon bazlı anot malzemesiyle sonuçlanır.
Uzmanlaşmış üretim ekipmanları çeşitli modülleri içerir:
- Bir bulamaç dağıtım modülü (nozullu).
- Bir gaz dağıtım ve ısıtma modülü (inert gaz, kaplama gazı ve doping gazı için).
- Bir işleme odası modülü (kurutma, sprey granülasyon ve karbon kaplama için).
- Bir koleksiyon modülü.
İşleme odası, bir bölme bölmesiyle donatılmış amonyum bikarbonat gibi doping malzemeleri içerir. Gaz içinden geçtiğinde, doping malzemeleriyle karışır ve daha sonra düzgün doping elde etmek için işleme alanına girer.
Yüksek Sıcaklık Isıl İşlemi
Yüksek sıcaklıkta ısıl işlem, silikon-karbon anot üretiminde bir diğer önemli adımdır. Kompozit öncül malzeme, inert bir atmosferde karbonize edilir. Kalsinasyon sıcaklığı tipik olarak 1000–1500°C'dir ve süre 2–5 saattir. Bu işlem, organik karbon kaynağının ayrışmasını ve iletken bir ağ oluşturmasını sağlar. Ayrıca silikon ve karbon malzemeler arasındaki bağı güçlendirir.
Isıl işlem ekipmanı tipik olarak borulu bir fırın veya döner fırındır. Sıcaklık profilinin ve atmosferik bileşimin hassas bir şekilde kontrol edilmesi gerekir. Bu, silisyum parçacık oksidasyonunu veya aşırı büyümesini önlemek için gereklidir.
Central South Üniversitesi'nden bir ekip, kusur-geliştirilmiş bir nano-kristalin silikon teknolojisi geliştirdi. Yüksek performanslı silikon anotlar oluşturmak için kristalin silikon endüstrisinden gelen atıkları ve bir ısıl işlem sürecini kullanıyorlar. Silikon yüklemesi 80 wt%'ye kadar ulaşıyor.
Silisyum-karbon Anotunun Ana Hazırlama Yöntemlerinin Karşılaştırılması
| Hazırlık metodu | Teknik özellikler | Avantajları | Dezavantajları | Uygulanabilir senaryolar |
| Kimyasal buhar biriktirme (CVD) | Silan termal ayrışması ve gözenekli karbon üzerinde birikmesi | Silisyum-karbon kombinasyonu sıkıdır, çevrim kararlılığı iyidir ve ilk verimlilik yüksektir | Silan yüksek maliyet ve güvenlik risklerine sahiptir | Üst düzey güç pilleri |
| Kum öğütme | Silisyum ve grafit kompozitinin mekanik taşlanması | Basit işlem, düşük maliyet, endüstriyel üretime uygun | Parçacık boyutunu kontrol etmek zor, kümelenmesi kolay ve çok sayıda safsızlık var | Orta ve düşük seviyeli uygulamalar |
| Sol-jel yöntemi | Sol-jel işlemiyle silikon-karbon kompozit | Malzeme dağılımı düzgündür, yüksek kapasite korunur | Karbon kabuğun çatlaması kolaydır ve yüksek oksijen içeriği düşük ilk verime yol açar | Deneysel aşama |
| Yüksek sıcaklık piroliz yöntemi | Organosilikon öncülünün yüksek sıcaklıkta ayrışması | Büyük karbon boşlukları hacim genişlemesini hafifletir | Zayıf silikon dağılımı ve düzensiz karbon tabakası | Belirli uygulama senaryoları |
| Mekanik bilyalı öğütme yöntemi | Silisyum ve karbon malzemelerin mekanik kuvvetle karıştırılması | Basit süreç, düşük maliyet, yüksek verimlilik | Ciddi yığılma olgusu ve genel performans | Düşük uç uygulamaları |
Son işleme
Silisyum-karbon anotlar için son işlem adımları ezme, sınıflandırma, yüzey işleme, sinterleme, eleme ve manyetikliği gidermeyi içerir. Silisyum-oksijen anotlarla karşılaştırıldığında, silisyum-karbon anotlar genleşme geriliminin serbest bırakılmasına ve yüzey SEI (Katı Elektrolit Ara Fazı) filminin kararlılığına daha fazla dikkat gerektirir.
CN119994008A patentinde önerilen yöntem gibi bazı yenilikçi prosesler, anot bulamacındaki silikon bazlı birincil malzeme parçacıkları için dikkatlice tasarlanmış bir parçacık boyutu dağılımı kullanır. İlk parçacığın D50'si 3–8 μm, ikinci parçacığın D50'si 7–12 μm ve üçüncü karbon bazlı parçacığın D50'si 13–16 μm'dir. Bu tasarım, hazırlanan silikon bazlı anot levhalarının geleneksel haddeleme proseslerine ihtiyaç duymadan yüksek çevrim kararlılığını ve enerji yoğunluğunu korumasına olanak tanır.
Epik Toz
EPIC Powder, silikon bazlı anot malzemelerinin üretimini ilerletmede ön saflarda yer almaktadır. Nano-silikon tozları, kompozit öncüller ve karbon kaplama işlemleri konusunda uzmanlığa sahip olan EPIC Powder, yüksek performanslı pil malzemelerine yönelik artan talebi desteklemek için iyi bir donanıma sahiptir. Sektör gelişmeye devam ederken, EPIC Powder'ın yenilikçi çözümleri enerji yoğunluğunu ve çevrim kararlılığını artırmada önemli bir rol oynayarak elektrikli araçlar ve enerji depolama için yeni nesil lityum iyon pillerin geliştirilmesine katkıda bulunmaktadır.