Silisyum-Karbon Anot Malzemeleri İçin Üç Ana Hazırlama İşlemi Nelerdir?

Silisyum-karbon anot malzemeleri yüksek kapasiteli lityum iyon piller için anahtardır. Bu nedenle, bunların geliştirilmesi gelişmiş hazırlama tekniklerine bağlıdır. Bu makalede, üç ana hazırlama sürecini inceleyeceğiz: mekanik bilyalı değirmen, kimyasal buhar biriktirme (CVD) ve sprey pirolizi. Başlamak için, bu yöntemleri prensipleri, süreçleri, ekipmanları, değerlendirmeleri ve uygulamaları açısından ele alacağız. Ayrıca, her teknik için ayrıntılı bir teknik analiz ve karşılaştırma sağlanacaktır.

Mekanik bilyalı değirmen ile silikon-karbon anot malzemelerinin hazırlanması

Mekanik enerji, büyük hacimli silisyum/karbon malzemelerin öğütücü ortamla tekrar tekrar çarpışmasına neden olur ve sonunda nano ölçekli silisyum-karbon kompozit parçacıklar oluşur.

Teknolojik Süreç

• Besleme ve Karıştırma: Silisyum tozu, karbon malzemeleri (grafen ve karbon nanotüpler gibi) ve çözücüleri karıştırarak bir bulamaç oluşturuyoruz.
• Islak Öğütme: Bulamaç, silisyum parçacık boyutunu nanoölçeğe (<100 nm) düşürmek için yüksek enerjili öğütme (yaklaşık 300 rpm, bilye-malzeme oranı 10:1) için bir kum değirmenine beslenir.
• Sprey Kurutma: Bulamaç, sıcak havada atomize edilerek ve hızla susuzlaştırılarak mikron büyüklüğünde toz (yaklaşık 30-50 μm parçacık boyutu) haline getirilir.
• Kaplama ve Sinterleme: Malzeme karbon kaynağı ile kaplandıktan sonra, yapının katılaşması için inert bir atmosferde yüksek sıcaklıklarda (600–1100°C) sinterlenir.
• Tedavi Sonrası: Bunlara kırma, manyetikliğini giderme (manyetik alan şiddeti ≤ 5000 Gauss), eleme ve paketleme dahildir.

Çekirdek Ekipman

Bilyalı değirmen

• Tip: kuru veya ıslak bilyalı değirmen.
• Anahtar parametreler: dönüş hızı, öğütme ortamı dolum miktarı, giriş/çıkış parçacık boyutu (0,074 – 0,4 μm), üretim kapasitesi.
• Yardımcı yapı: basamak astarı, çelik bilyalı taşlama gövdesi, bölme plakası.

Karıştırma ve kurutma ekipmanları

• Yüksek hızlı karıştırıcı (çift pervaneli kanat tipi gibi): Silisyum tozu ve grafitin ön karıştırılmasında kullanılır.
• Vakumlu kurutma fırını: Sıcaklık kontrolü 80–100℃, nem ≤5% (topaklanmayı önlemek için).
• Sprey kurutucu: Giriş/çıkış hava sıcaklığı sırasıyla yaklaşık 150-250℃ / 100-120℃'dir.

Sinterleme ve kalıplama ekipmanları

Tam atmosfer koruma elektrot malzemesi kalsinasyon fırını, tablet presi.

Değerlendirme

• Avantajları:
  Süreç nispeten basittir ve düşük ekipman yatırım maliyetleriyle gelir. Sonuç olarak, büyük ölçekli üretime uygundur.
• Dezavantajları:
  Ancak, silikonun parçacık boyutu dağılımını hassas bir şekilde kontrol etmek zordur. Ek olarak, safsızlıkların ve parçacık kümelenmesinin ortaya çıkma riski vardır. Dahası, döngü kararlılığı zayıftır ve kapasite 200 döngüden sonra potansiyel olarak 1779 mAh/g'a düşebilir. Dahası, aşırı öğütme grafit kristal yapısına zarar verebilir ve yan reaksiyonların olasılığını artırabilir.
• Uygulamalar:
  Mekanik bilyalı değirmenle hazırlanan silisyum-karbon anot malzemeleri çoğunlukla maliyet açısından hassas, orta ve düşük güçteki pillerde veya elektrikli alet pillerinde kullanılır.

Kimyasal Buhar Biriktirme CVD ile silikon-karbon anot malzemelerinin hazırlanması

Gaz halindeki silisyum kaynağı/karbon kaynağı yüksek sıcaklıkta ayrışır. Gözenekli karbon iskeleti üzerine birikerek kompozit bir yapı oluşturur.

Teknolojik Süreç

• Etkinleştirme:
  Öncelikle gözenekli karbon substrat (örneğin sert karbon) azot koruması altında 800–1000°C'ye ısıtılır. Daha sonra gözenekleri genişletmek için yaklaşık 10 saat bu sıcaklıkta tutulur.
• Silisyum Birikimi:
  Daha sonra, silan (SiH₄) piroliz için akışkanlaştırılmış bir yatağa (400-650°C) veya döner fırına (800-1100°C) sokulur (SiH₄ → Si + 2H₂↑). Bu işlem, nano-silikonun karbon substratın mikro gözeneklerine (gözenek çapı < 2 nm) birikmesine olanak tanır. Tutma süresi yaklaşık 5-10 saattir.
• Karbon Birikimi:
  Bunun ardından, yüksek sıcaklık pirolizi için asetilen (C₂H₂) eklenir (C₂H₂ → 2C + H₂↑). Bu, silikon parçacıklarını kaplayan ve hacim değişikliklerini (sıcaklık 800–1000°C) tamponlayan bir karbon tabakası oluşturur.
• Tedavi Sonrası:
  Son olarak, son işlem karıştırma, elektromanyetik safsızlıkların giderilmesi, eleme (hedef parçacık boyutu ≤ 10 μm) ve test (manyetik malzeme içeriği ≤ 50 ppm) işlemlerini içerir.

Çekirdek Ekipman

CVD Reaksiyon Sistemi:

• Reaktör Gövdesi:
  Reaktör, pürüzsüz, kapalı bir iç duvara sahip akışkan yataklı bir reaktör kullanır. Bu, malzeme birikmesini önler. Alternatif olarak, çift bölgeli kayan tüplü bir fırın (örneğin, döner fırın) kullanılabilir.
• Sıcaklık Kontrol Sistemi:
  Sistem molibden alaşımlı ısıtma elemanlarına sahiptir. Bu elemanlar 1200°C'ye kadar sıcaklıklara dayanır. Sıcaklık kontrol hassasiyeti ±1°C'dir. Bir N tipi termokupl sıcaklığı gerçek zamanlı olarak izler.

Gaz ve Vakum Sistemi:

• Altı kütle akış kontrolörü (MFC) SiH₄ ve C₂H₂ gibi gazları düzenler. Hassasiyet ±1%'dir.
• Yüksek vakumlu moleküler pompa sistemi, 6,67×10⁻³ Pa'lık maksimum vakum seviyesine ulaşır. Bu, oksidasyonu önler.

Güvenlik ve Egzoz İşlemleri:

• Sistem patlamaya dayanıklıdır. Bir güvenlik patlama diski ve harici bir basınç algılama tüpü (basınç toleransı ≥0,02 MPa) içerir.
• Egzoz, aktif karbon adsorpsiyon kutusu kullanılarak temizlenir. Bunu bir PE malzeme filtresi ve bir yanma kulesi ile donatabiliriz.

Değerlendirmek

Avantajları:

• Mükemmel Tekdüzelik:
  Gaz-katı teması yeterlidir ve silanın karbon gözenekleri içinde yerinde birikmesine olanak tanır. Sonuç olarak, kaplama tabakası yoğun ve eşit şekilde dağılır ve bu da gelişmiş çevrim performansına katkıda bulunur.
• Yüksek Verimlilik:
  Silan kullanım oranı, geleneksel döner fırınların tipik 60%'sinden önemli ölçüde daha yüksek olan 95%'ye ulaşabilir. Bu, yalnızca hammadde maliyetlerini düşürmekle kalmaz, aynı zamanda endüstriyelleşmeyi de kolaylaştırır.
• Güçlü Yapısal Kontrol:
  Bu işlem, silisyum içeriği (10%-15%), parçacık boyutu (20–100 nm) ve gözenek dağılımı üzerinde hassas kontrol sağlayarak, özel gereksinimlere mükemmel uyum sağlar.

Dezavantajları:

• Yüksek Ekipman Sızdırmazlık Gereksinimleri:
  Ekipmanın, zehirli ve yanıcı silanın sızmasını ve patlamasını önlemek için son derece sıkı contalara sahip olması gerekiyor ve bu da önemli bir zorluk teşkil ediyor.
• Sıkı Sıcaklık Kontrolü:
  Sıcaklık kontrolü hassas olmalıdır. Reaksiyonun ekzotermik doğası, bölümlü sıcaklık kontrolü gerektirirken, soğutma gazları, yerel aşırı ısınmayı önlemek için gereklidir.
• Sınırlı Ekipman Kapasitesi:
  Şu anda ana akım ekipmanların kapasitesi yaklaşık 100 kg'dır. Ton düzeyindeki kapasitelere ölçeklendirmek için akış alanını optimize etmek amacıyla CFD simülasyonlarına ihtiyaç vardır.

Sprey Piroliz

Öncü çözelti atomize edilir. Daha sonra, yüksek sıcaklıklı bir fırında termal piroliz ve sinterleme işlemine tabi tutulur. Bu işlem, silikon-karbon kompozit malzemeleri oluşturur.

Çekirdek Ekipman

Değerlendirmek

• Avantajları:
  Süreç süreklidir, bu da partiden partiye nispeten iyi bir kararlılık sağlar. Ayrıca, iletkenliği iyileştirmeye yardımcı olan karbon nanotüpler veya grafen gibi malzemeleri dahil etmek kolaydır.
• Dezavantajları:
  Ancak çatlama sıcaklığı nispeten düşüktür (≤500°C), bu da karbon tabaka yapısının yeterli stabiliteye sahip olmamasına neden olur.
• Uygulamalar:
  Şu anda süreç geliştirme aşamasındadır. Hedef uygulaması, düşük genleşme özelliklerinden yararlanarak hızlı şarjlı pillerdir.
• Otomasyon Kontrol Sistemi:
  Sistem, operasyonel verimliliği artırmak için sıcaklık, akış hızı ve sıvı seviyesinin kontrolünü entegre eden dokunmatik ekranlı bir PLC ile donatılmıştır.
• Egzoz Bakımı:
  Egzoz gazlarını TO fırınından (termal oksidasyon yanması) geçirip, ardından aktif karbon adsorpsiyon kutusundan geçirerek tam bir arıtım sağlıyoruz.
• Toz Toplama Sistemi:
  Toz, üç aşamalı elek gibi çok aşamalı filtrasyon yoluyla toplanır. Hedef parçacık boyutu 1–3 μm'dir ve yüksek kaliteli toplama sağlar.
• Darbeli Toz Toplayıcı:
  Darbeli toz toplayıcı, ≥99% arıtma verimliliğine ulaşır ve kolay kullanım için otomatik toz toplama haznesi içerir.
• Mikro-Sis Jeneratörü:
  1-10 μm aralığında sıvı damlacıkları üretmek için ultrasonik atomizer kullanıyoruz ve hassas sis oluşumu sağlıyoruz.
• Gaz-Sıvı Eş Akış Vanası:
  Gaz-sıvı eş akış vanası, optimum performans için yaklaşık 100:1'lik bir gaz-sıvı akış oranı sağlayan değişken çaplı bir boru tasarımına sahiptir.
• Çatlatma İçin Tüp Fırın:
  Tüp fırının sıcaklıkları 300–500°C arasında değişen çift sıcaklık bölgesi vardır. Ayrıca, işlemi daha da optimize etmek için indirgeyici gazlar ekleyebiliriz.

Epik Toz