Anot silic-oxy là một nhánh quan trọng của anode gốc silicon. Quy trình sản xuất của chúng có các đặc điểm kỹ thuật và yêu cầu riêng biệt. Nguyên liệu thô cốt lõi là silicon monoxide (SiOx). Việc chuẩn bị và chế biến nó tạo thành nền tảng của toàn bộ quy trình sản xuất. Anot silic-oxy có thể được phân loại thành ba loại: thường, tiền magiê và tiền lithium. Mỗi loại có trọng tâm khác nhau trong quá trình sản xuất.
Chuẩn bị tiền chất của Silic Monoxide
Việc chuẩn bị tiền chất silicon monoxide (SiOx) là bước chính trong sản xuất anot silicon-oxy. Phương pháp công nghiệp để sản xuất SiOx chủ yếu sử dụng thăng hoa nhiệt độ cao. Bột silicon thải quang điện và cát thạch anh được trộn theo tỷ lệ khối lượng từ 1:1,2 đến 2. Hỗn hợp này được đưa vào lò thăng hoa. Lò hoạt động trong môi trường chân không hoặc áp suất thấp (0,01-1000 Pa). Nhiệt độ trong vùng gia nhiệt được duy trì trong khoảng từ 1200°C đến 1800°C. Điều này cho phép hỗn hợp phản ứng và tạo ra hơi silicon monoxide.
Lò thăng hoa được chia thành hai phần. Phần dưới là vùng gia nhiệt, sử dụng phương pháp gia nhiệt cảm ứng tần số trung bình hoặc phương pháp gia nhiệt thanh silicon-molypden. Phần trên là vùng lắng đọng, có khay thu gom làm mát bằng nước (nhiệt độ ngưng tụ từ 400°C đến 800°C) để thu gom silicon monoxide thăng hoa. Thiết bị chính bao gồm lò thăng hoa chân không, hệ thống chân không và hệ thống trao đổi nhiệt. Độ dốc nhiệt độ, mức chân không và tốc độ ngưng tụ phải được kiểm soát chính xác. Điều này đảm bảo tính đồng nhất và độ kết tinh của SiOx.
Sau khi vật liệu khối silicon monoxide được nghiền và phân loại, nó chuyển sang quy trình tiếp theo. Máy nghiền hàm được sử dụng để nghiền thô, giảm các khối SiOx thành các hạt có kích thước milimét. Sau đó, một loại va chạm máy nghiền khí nén được sử dụng để nghiền mịn. Điều này tạo ra bột silicon có kích thước micron với D50 <10μm. Các máy nghiền khí nén sử dụng luồng khí tốc độ cao để gây ra va chạm giữa các hạt. Điều này tránh ô nhiễm từ quá trình nghiền cơ học truyền thống. Cường độ nghiền và số chu kỳ phải được kiểm soát. Điều này ngăn ngừa các hạt quá mịn, có thể gây ra các vấn đề về lưu hóa sau này.
Hệ thống tạo hạt thứ cấp
Hệ thống tạo hạt thứ cấp là bước then chốt trong việc giải quyết vấn đề lưu hóa của bột siêu mịn. Bột silicon monoxide có kích thước micron được trộn với dung dịch chất kết dính chứa carbon (như polyacrylonitrile, polystyrene, polyvinylpyrrolidone hoặc polyvinyl alcohol). Sau đó, hỗn hợp được khuấy và sấy phun để tạo thành các hạt thứ cấp với kích thước hạt từ 30-50μm. Quá trình này chuyển đổi các hạt silicon monoxide từ loại C (dưới 10μm và dễ kết tụ) thành các hạt loại A (trên 30μm và dễ lưu hóa), cải thiện đáng kể khả năng chảy của vật liệu.
Thiết bị tạo hạt thứ cấp chủ yếu bao gồm máy trộn tốc độ cao, tháp sấy phun và hệ thống khí nóng. Trong quá trình vận hành, cần kiểm soát tỷ lệ chất kết dính, cường độ khuấy và nhiệt độ sấy để đảm bảo độ đồng đều và độ bền của hạt.
Xử lý phủ Carbon
Cacbon lớp phủ Xử lý là bước cốt lõi để tăng cường độ dẫn điện và độ ổn định chu kỳ của anot silicon-oxy. Các hạt thứ cấp liên tục được đưa vào lò phản ứng tầng sôi bằng bộ nạp vít. Ở nhiệt độ từ 600°C đến 1000°C, các hạt phản ứng với khí nguồn cacbon (như axetilen) trong 1 giờ, tạo ra lớp phủ cacbon đồng nhất trên bề mặt. Lò phản ứng tầng sôi được trang bị bộ gia nhiệt trước (với nhiệt độ gia nhiệt trước không thấp hơn 400°C) để giảm thiểu biến động nhiệt độ.
Chìa khóa của quá trình này là kiểm soát lưu lượng khí lưu hóa (nitơ hoặc argon), ban đầu được đặt ở mức 8L/giây, để đảm bảo các hạt được lưu hóa hoàn toàn mà không bị cuốn trôi. Vật liệu phủ liên tục được xả qua thiết bị xả và nhiệt thải được thu hồi thông qua bộ trao đổi nhiệt.
Anode tiền Mg-SiO
Đối với anot silicon-oxy tiền magiê, quy trình sản xuất bổ sung bước khử nhiệt magiê vào quy trình silicon-oxy cơ bản. Silic (Si), silicon dioxide (SiO2) và magiê (Mg) được trộn và xử lý nhiệt trong lò nung nhiệt độ cao. Quá trình này tạo ra tiền chất silicon monoxide pha tạp magiê, sau đó được nghiền, nghiền mịn và phủ carbon.
Việc bổ sung magiê giúp ngăn ngừa sự hình thành quá mức của lớp màng SEI (Giai đoạn điện phân rắn), tăng hiệu suất chu kỳ đầu tiên lên khoảng 80%. Tuy nhiên, nó làm tăng chi phí vật liệu khoảng 100.000 đến 200.000 RMB mỗi tấn và có thể ảnh hưởng đến hiệu suất chu kỳ.
Anode Silicon-oxy tiền lithium
Đối với anot silicon-oxy tiền lithium, một bước lithi hóa được thêm vào sau lớp phủ carbon. Bột lithium hoặc oxit lithium được trộn và thiêu kết. Điều này có thể tăng hiệu suất chu kỳ đầu tiên lên 86%-92%. Tuy nhiên, công nghệ tiền lithi hóa vẫn phải đối mặt với những thách thức về an toàn và sản xuất quy mô lớn. Mức độ công nghiệp hóa vẫn còn thấp.
Thiết bị Lithiation phải hoạt động trong môi trường khí trơ (như argon). Tốc độ tăng nhiệt độ và độ đồng đều của hỗn hợp phải được kiểm soát chặt chẽ. Điều này ngăn ngừa tình trạng quá nhiệt cục bộ, có thể dẫn đến các vấn đề về an toàn.
Quy trình sản xuất chính và các thông số chính cho anot silicon-oxy
| Quy trình sản xuất | Thiết bị chính | Các thông số quy trình | Điểm kiểm soát chất lượng |
| Chuẩn bị SiOx | Lò thăng hoa chân không, hệ thống ngưng tụ | Nhiệt độ 1200-1800℃, áp suất 0,01-1000Pa | Thành phần SiOx đồng nhất, tinh thể |
| Nghiền và phân loại | Máy nghiền hàm, máy nghiền khí nén | D50<10μm | Kích thước hạt phân phối, kiểm soát ô nhiễm kim loại |
| Hạt thứ cấp | Máy trộn, tháp sấy phun | Kích thước hạt 30-50um | Độ bền hạt, độ xốp |
| Lớp phủ carbon | Lò phản ứng tầng sôi, hệ thống gia nhiệt trước | Nhiệt độ 600-1000℃, thời gian 1h | Độ đồng đều của lớp carbon, lượng lớp phủ |
| Trước khi dùng thuốc kích thích | Máy trộn, lò thiêu kết | Phụ thuộc vào thành phần pha tạp | Độ đồng đều của doping, an toàn |
Bước cuối cùng trong quá trình sản xuất anot silicon-oxy là hậu xử lý. Bao gồm nghiền, sàng, khử từ và đóng gói. Các bước này tương tự như các bước đối với vật liệu anot thông thường. Cần đặc biệt chú ý đến độ hút ẩm và độ nhạy oxy hóa của vật liệu gốc silicon. Các hoạt động thường cần được tiến hành trong môi trường chân không hoặc khí quyển khô.
Trong suốt quá trình sản xuất, hệ thống thu thập và kiểm soát dữ liệu giám sát và điều chỉnh các thông số theo thời gian thực. Các thông số này bao gồm nhiệt độ, áp suất và lưu lượng. Điều này đảm bảo tính ổn định của quy trình và tính nhất quán của sản phẩm.
Bột Epic
EPIC Powder đi đầu trong việc thúc đẩy sản xuất vật liệu anode gốc silicon. Với chuyên môn trong xử lý bột nano-silicon, tiền chất composite và xử lý phủ carbon, EPIC Powder được trang bị tốt để hỗ trợ nhu cầu ngày càng tăng đối với vật liệu pin hiệu suất cao. Khi ngành công nghiệp tiếp tục phát triển, các giải pháp sáng tạo của EPIC Powder đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường mật độ năng lượng và độ ổn định chu kỳ, góp phần vào sự phát triển của pin lithium-ion thế hệ tiếp theo cho xe điện và hệ thống lưu trữ năng lượng.