ما هي عمليات التحضير الرئيسية الثلاث لمواد أنود السيليكون والكربون؟

مواد أنود السيليكون والكربون تُعدّ هذه العناصر أساسيةً لبطاريات أيونات الليثيوم عالية السعة. لذا، يعتمد تطويرها على تقنيات تحضير متقدمة. في هذه المقالة، سنستكشف عمليات التحضير الرئيسية الثلاث: الميكانيكية طحن الكراتالترسيب الكيميائي للبخار (CVD)، والتحلل الحراري بالرش. سنبدأ بمناقشة هذه الطرق من حيث مبادئها، وعملياتها، ومعداتها، وتقييمها، وتطبيقاتها. كما سنقدم تحليلًا فنيًا ومقارنةً تفصيلية لكل تقنية.

تحضير مواد أنود السيليكون والكربون بواسطة مطحنة الكرات الميكانيكية

تتسبب الطاقة الميكانيكية في تصادم مواد السيليكون/الكربون السائبة بشكل متكرر مع وسائط الطحن، مما يؤدي في النهاية إلى تكوين جزيئات مركبة من السيليكون والكربون على نطاق النانو.

العملية التكنولوجية

• التغذية والخلط: نقوم بخلط مسحوق السيليكون، والمواد الكربونية (مثل الجرافين وأنابيب الكربون النانوية)، والمذيبات لتشكيل عجينة.
• الطحن الرطب: يتم تغذية الملاط إلى مطحنة رملية لطحن عالي الطاقة (حوالي 300 دورة في الدقيقة، نسبة الكرة إلى المادة 10:1) لتقليل حجم جزيئات السيليكون إلى مقياس النانو (<100 نانومتر).
• التجفيف بالرش: يتم تفتيت الملاط وتجفيفه بسرعة في الهواء الساخن لتشكيل مسحوق بحجم الميكرون (حجم الجسيمات حوالي 30-50 ميكرومتر).
• الطلاء والتلبيد: بعد طلاء المادة بمصدر الكربون، يتم تسخينها في درجات حرارة عالية (600-1100 درجة مئوية) في جو خامد لتصلب الهيكل.
• بعد العلاج: يتضمن ذلك التكسير وإزالة المغناطيسية (قوة المجال المغناطيسي ≤ 5000 جاوس) والغربلة والتعبئة والتغليف.

المعدات الأساسية

مطحنة الكرة

• يكتب: جاف أو رطب مطحنة الكرة.
• المعلمات الرئيسية: سرعة الدوران، كمية ملء وسائط الطحن، حجم الجسيمات الداخلة/المخرجة (0.074 – 0.4 ميكرومتر), القدرة الإنتاجية.
• الهيكل المساعد: بطانة الخطوة، جسم طحن الكرة الفولاذية، لوحة التقسيم.

معدات الخلط والتجفيف

• خلاط عالي السرعة (مثل نوع شفرة المروحة المزدوجة): يستخدم لخلط مسحوق السيليكون والجرافيت مسبقًا.
• فرن التجفيف بالتفريغ: التحكم في درجة الحرارة 80–100 درجة مئوية، والرطوبة ≤5% (لمنع التكتل).
• مجفف الرش: تبلغ درجة حرارة الهواء الداخل/الخارجي حوالي 150-250 درجة مئوية / 100-120 درجة مئوية على التوالي.

معدات التلبيد والقولبة

فرن التكليس لمواد القطب المحمية بالكامل بالجو، ومكبس الأقراص.

تقييم

• المزايا:
  العملية بسيطة نسبيًا، وتكاليفها الاستثمارية منخفضة في المعدات. ونتيجةً لذلك، فهي مناسبة تمامًا للإنتاج واسع النطاق.
• العيوب:
  مع ذلك، يصعب التحكم بدقة في توزيع حجم جسيمات السيليكون. إضافةً إلى ذلك، هناك خطر إدخال الشوائب وتكتل الجسيمات. علاوةً على ذلك، فإن استقرار الدورة ضعيف، مع احتمال انخفاض السعة إلى 1779 مللي أمبير/ساعة بعد 200 دورة. علاوةً على ذلك، قد يؤدي الإفراط في الطحن إلى إتلاف بنية بلورة الجرافيت، مما يزيد من احتمالية حدوث تفاعلات جانبية.
• التطبيقات:
  تُستخدم مواد أنود السيليكون والكربون المُحضرة بواسطة مطحنة الكرات الميكانيكية بشكل أساسي في البطاريات الحساسة للتكلفة أو بطاريات الأدوات الكهربائية متوسطة إلى منخفضة التكلفة.

تحضير مواد أنود السيليكون والكربون بواسطة الترسيب الكيميائي للبخار

يتحلل مصدر السيليكون/الكربون الغازي عند درجات حرارة عالية، ويترسب على هيكل الكربون المسامي ليشكل بنية مركبة.

العملية التكنولوجية

• التنشيط:
  أولاً، تُسخّن طبقة الكربون المسامية (مثل الكربون الصلب) إلى درجة حرارة تتراوح بين 800 و1000 درجة مئوية تحت حماية النيتروجين. ثم تُحفظ عند هذه الدرجة لمدة عشر ساعات تقريبًا لتوسيع المسام.
• ترسب السيليكون:
  بعد ذلك، يُدخل السيلان (SiH₄) إلى طبقة مُميَّعة (400-650 درجة مئوية) أو فرن دوار (800-1100 درجة مئوية) للتحلل الحراري (SiH₄ → Si + 2H₂↑). تسمح هذه العملية بترسيب السيليكون النانوي في المسام الدقيقة للركيزة الكربونية (قطر المسام < 2 نانومتر). تتراوح مدة التجميد بين 5 و10 ساعات تقريبًا.
• ترسب الكربون:
  بعد ذلك، يُستخدَم الأسيتيلين (C₂H₂) للتحلل الحراري عالي الحرارة (C₂H₂ → 2C + H₂↑). يُشكِّل هذا طبقة كربونية تُغلِّف جزيئات السيليكون، مُخفِّفةً بذلك تغيّرات الحجم (درجة الحرارة 800-1000 درجة مئوية).
• بعد العلاج:
  وأخيرًا، تشمل مرحلة ما بعد المعالجة الخلط، وإزالة الشوائب الكهرومغناطيسية، والغربلة (حجم الجسيمات المستهدفة ≤ 10 ميكرومتر)، والاختبار (محتوى المادة المغناطيسية ≤ 50 جزء في المليون).

المعدات الأساسية

نظام تفاعل الترسيب الكيميائي البخاري:

• جسم المفاعل:
  يستخدم المفاعل مفاعلًا مُمَيَّعًا بجدار داخلي أملس ومُحكم الغلق، مما يمنع تراكم المواد. كبديل، يُمكن استخدام فرن أنبوبي منزلق ثنائي المنطقة (مثل الفرن الدوار).
• نظام التحكم في درجة الحرارة:
  يتميز النظام بعناصر تسخين مصنوعة من سبيكة الموليبدينوم. تتحمل هذه العناصر درجات حرارة تصل إلى 1200 درجة مئوية. دقة التحكم في درجة الحرارة ±1 درجة مئوية. يراقب جهاز ترموكوبل من النوع N درجة الحرارة فورًا.

نظام الغاز والفراغ:

• ستة وحدات تحكم في تدفق الكتلة (MFC) تنظم غازات مثل SiH₄ وC₂H₂. دقة التحكم ±1%.
• يحقق نظام المضخة الجزيئية ذات الفراغ العالي مستوى فراغ أقصى يبلغ 6.67×10⁻³ باسكال. وهذا يمنع الأكسدة.

السلامة ومعالجة العادم:

• النظام مقاوم للانفجار. يتضمن قرص أمان للتمزق وأنبوبًا خارجيًا لكشف الضغط (تحمل الضغط ≥ 0.02 ميجا باسكال).
• يُنقى العادم باستخدام صندوق امتصاص الكربون النشط. يُمكننا تجهيزه بفلتر من مادة البولي إيثيلين وبرج احتراق.

يقيم

المزايا:

• توحيد ممتاز:
  يُعدّ تلامس الغاز مع المادة الصلبة كافيًا، مما يسمح للسيلان بالترسيب في مسام الكربون. ونتيجةً لذلك، تكون طبقة الطلاء كثيفة وموزعة بالتساوي، مما يُحسّن أداء الدورة.
• كفاءة عالية:
  يمكن أن يصل معدل استخدام السيلان إلى 95%، وهو أعلى بكثير من معدل 60% المعتاد في الأفران الدوارة التقليدية. هذا لا يقلل تكاليف المواد الخام فحسب، بل يُسهّل أيضًا التصنيع.
• التحكم الهيكلي القوي:
  وتسمح هذه العملية بالتحكم الدقيق في محتوى السيليكون (10%-15%)، وحجم الجسيمات (20-100 نانومتر)، وتوزيع المسام، مما يوفر قدرة ممتازة على التكيف مع المتطلبات المحددة.

العيوب:

• متطلبات ختم المعدات العالية:
  يجب أن تحتوي المعدات على أختام محكمة للغاية لمنع تسرب وانفجار السيلان السام القابل للاشتعال، مما يشكل تحديًا كبيرًا.
• التحكم الصارم في درجة الحرارة:
  يجب أن يكون التحكم في درجة الحرارة دقيقًا. تتطلب الطبيعة الطاردة للحرارة للتفاعل تحكمًا مجزأً في درجة الحرارة، بينما تُعدّ غازات التبريد ضرورية لتجنب ارتفاع درجة الحرارة الموضعي.
• سعة المعدات المحدودة:
  حاليًا، تبلغ سعة المعدات الرئيسية حوالي 100 كجم. ولزيادة سعتها إلى مستوى الطن، يلزم إجراء محاكاة ديناميكا الموائع الحسابية لتحسين مجال التدفق.

التحلل الحراري بالرش

يُحَلَّل المحلول الأولي إلى ذرات، ثم يخضع للتحلل الحراري والتلبيد في فرن عالي الحرارة. تُشكِّل هذه العملية مواد مركبة من السيليكون والكربون.

المعدات الأساسية

يقيم

• المزايا:
  العملية مستمرة، مما يضمن استقرارًا جيدًا نسبيًا بين الدفعات. بالإضافة إلى ذلك، يسهل دمج مواد مثل أنابيب الكربون النانوية أو الجرافين، مما يُحسّن التوصيل الكهربائي.
• العيوب:
  ومع ذلك، فإن درجة حرارة التكسير منخفضة نسبيًا (≤500 درجة مئوية)، مما يؤدي إلى عدم استقرار بنية طبقة الكربون بشكل كافٍ.
• التطبيقات:
  العملية حاليًا في مرحلة التطوير. تطبيقها المستهدف هو شحن البطاريات بسرعة، مستفيدًا من خصائصها منخفضة التمدد.
• نظام التحكم الآلي:
  تم تجهيز النظام بشاشة تعمل باللمس PLC والتي تدمج التحكم في درجة الحرارة ومعدل التدفق ومستوى السائل لتحسين الكفاءة التشغيلية.
• معالجة العادم:
  نقوم بمعالجة غازات العادم من خلال فرن TO (الاحتراق بالأكسدة الحرارية)، يليه صندوق امتصاص الكربون النشط لضمان التنقية الشاملة.
• نظام جمع المسحوق:
  يُجمع المسحوق عبر ترشيح متعدد المراحل، مثل غربال ثلاثي المراحل. يتراوح حجم الجسيمات المستهدفة بين 1 و3 ميكرومتر، مما يضمن جودة عالية في التجميع.
• مجمع الغبار النبضي:
  يحقق مجمع الغبار النبضي كفاءة تنقية ≥99% ويتضمن قمع تجميع الغبار التلقائي لسهولة التعامل.
• مولد الضباب الدقيق:
  نحن نستخدم جهاز التبخير بالموجات فوق الصوتية لتوليد قطرات سائلة في نطاق 1-10 ميكرومتر، مما يوفر تكوين ضباب دقيق.
• صمام التدفق المشترك للغاز والسائل:
  يتميز صمام التدفق المشترك للغاز والسائل بتصميم أنبوب بقطر متغير، مما يضمن نسبة تدفق الغاز والسائل تبلغ حوالي 100:1 للحصول على الأداء الأمثل.
• فرن الأنابيب للتكسير:
  يحتوي فرن الأنابيب على منطقتين حراريتين، تتراوح درجات حرارتهما بين 300 و500 درجة مئوية. علاوة على ذلك، يُمكننا استخدام غازات اختزالية لتحسين العملية بشكل أكبر.

مسحوق ملحمي