Ba quy trình chuẩn bị chính cho vật liệu anot silicon-cacbon là gì?

Vật liệu anot silicon-cacbon là chìa khóa cho pin lithium-ion dung lượng cao. Do đó, sự phát triển của chúng phụ thuộc vào các kỹ thuật chuẩn bị tiên tiến. Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá ba quy trình chuẩn bị chính: cơ học nghiền bi, lắng đọng hơi hóa học (CVD) và nhiệt phân phun. Để bắt đầu, chúng tôi sẽ thảo luận về các phương pháp này theo nguyên lý, quy trình, thiết bị, đánh giá và ứng dụng của chúng. Ngoài ra, một phân tích kỹ thuật và so sánh chi tiết sẽ được cung cấp cho từng kỹ thuật.

Chuẩn bị vật liệu anot silicon-cacbon bằng máy nghiền bi cơ học

Năng lượng cơ học khiến các vật liệu silicon/carbon khối liên tục va chạm với vật liệu nghiền, cuối cùng tạo thành các hạt composite silicon-carbon ở kích thước nano.

Quy trình công nghệ

• Cho ăn và pha trộn: Chúng tôi trộn bột silicon, vật liệu carbon (như graphene và ống nano carbon) và dung môi để tạo thành hỗn hợp sệt.
• Nghiền ướt: Bùn được đưa vào máy nghiền cát để nghiền năng lượng cao (khoảng 300 vòng/phút, tỷ lệ bi/vật liệu là 10:1) nhằm giảm kích thước hạt silicon xuống mức nano (<100 nm).
• Sấy phun: Bùn được phun sương và nhanh chóng tách nước trong không khí nóng để tạo thành bột có kích thước micron (kích thước hạt khoảng 30-50 μm).
• Phủ và thiêu kết: Sau khi phủ một lớp carbon, vật liệu được thiêu kết ở nhiệt độ cao (600–1100°C) trong môi trường trơ để làm đông cứng cấu trúc.
• Sau khi điều trị: Bao gồm nghiền, khử từ (cường độ từ trường ≤ 5000 Gauss), sàng lọc và đóng gói.

Thiết bị cốt lõi

máy nghiền bi

• Kiểu: khô hay ướt máy nghiền bi.
• Các thông số chính: tốc độ quay, lượng vật liệu nghiền, kích thước hạt đầu vào/đầu ra (0,074 – 0,4 μm), năng lực sản xuất.
• Cấu trúc phụ trợ: lớp lót bậc, thân máy nghiền bi thép, tấm ngăn.

Thiết bị trộn và sấy

• Máy trộn tốc độ cao (như loại cánh quạt đôi): được sử dụng để trộn trước bột silicon và than chì.
• Lò sấy chân không: kiểm soát nhiệt độ 80–100℃, độ ẩm ≤5% (để tránh kết tụ).
• Máy sấy phun: nhiệt độ không khí vào/ra lần lượt là khoảng 150-250℃ / 100-120℃.

Thiết bị thiêu kết và đúc khuôn

Lò nung vật liệu điện cực bảo vệ khí quyển hoàn toàn, máy ép viên.

Sự đánh giá

• Thuận lợi:
  Quá trình này tương đối đơn giản và chi phí đầu tư thiết bị thấp. Do đó, nó phù hợp với sản xuất quy mô lớn.
• Nhược điểm:
  Tuy nhiên, phân bố kích thước hạt của silicon rất khó kiểm soát chính xác. Ngoài ra, còn có nguy cơ đưa tạp chất và kết tụ hạt. Hơn nữa, độ ổn định của chu kỳ kém, với khả năng giảm xuống còn 1779 mAh/g sau 200 chu kỳ. Hơn nữa, nghiền quá mức có thể làm hỏng cấu trúc tinh thể graphite, làm tăng khả năng xảy ra phản ứng phụ.
• Ứng dụng:
  Vật liệu anot silicon-cacbon được chế tạo bằng máy nghiền bi cơ học chủ yếu được sử dụng trong các loại pin công suất trung bình đến thấp hoặc pin dụng cụ điện có giá thành phải chăng.

Chuẩn bị vật liệu anot silicon-cacbon bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học CVD

Nguồn silicon dạng khí/nguồn cacbon phân hủy ở nhiệt độ cao. Được lắng đọng trên bộ khung cacbon xốp để tạo thành cấu trúc tổng hợp.

Quy trình công nghệ

• Kích hoạt:
  Đầu tiên, chất nền carbon xốp (ví dụ, carbon cứng) được nung nóng đến 800–1000°C dưới sự bảo vệ của nitơ. Sau đó, nó được giữ ở nhiệt độ này trong khoảng 10 giờ để mở rộng các lỗ rỗng.
• Sự lắng đọng Silic:
  Tiếp theo, silane (SiH₄) được đưa vào lò lưu hóa (400-650°C) hoặc lò quay (800-1100°C) để nhiệt phân (SiH₄ → Si + 2H₂↑). Quá trình này cho phép nano-silicon lắng đọng trong các lỗ rỗng siêu nhỏ của chất nền carbon (đường kính lỗ rỗng < 2 nm). Thời gian giữ khoảng 5–10 giờ.
• Sự lắng đọng cacbon:
  Tiếp theo, axetilen (C₂H₂) được đưa vào để nhiệt phân ở nhiệt độ cao (C₂H₂ → 2C + H₂↑). Quá trình này tạo thành lớp cacbon phủ lên các hạt silic, đệm thay đổi thể tích (nhiệt độ 800–1000°C).
• Sau khi điều trị:
  Cuối cùng, quá trình xử lý sau bao gồm trộn, loại bỏ tạp chất điện từ, sàng lọc (kích thước hạt mục tiêu ≤ 10 μm) và thử nghiệm (hàm lượng vật liệu từ ≤ 50 ppm).

Thiết bị cốt lõi

Hệ thống phản ứng CVD:

• Thân lò phản ứng:
  Lò phản ứng sử dụng lò phản ứng tầng sôi có thành trong nhẵn, kín. Điều này ngăn ngừa sự tích tụ vật liệu. Ngoài ra, có thể sử dụng lò ống trượt hai vùng (ví dụ: lò quay).
• Hệ thống kiểm soát nhiệt độ:
  Hệ thống có các bộ phận gia nhiệt bằng hợp kim molypden. Các bộ phận này chịu được nhiệt độ lên đến 1200°C. Độ chính xác kiểm soát nhiệt độ là ±1°C. Một cặp nhiệt điện loại N theo dõi nhiệt độ theo thời gian thực.

Hệ thống khí và chân không:

• Sáu bộ điều khiển lưu lượng khối (MFC) điều chỉnh các loại khí như SiH₄ và C₂H₂. Độ chính xác là ±1%.
• Hệ thống bơm phân tử chân không cao đạt được mức chân không tối đa là 6,67×10⁻³ Pa. Điều này ngăn ngừa quá trình oxy hóa.

An toàn và xử lý khí thải:

• Hệ thống chống cháy nổ. Nó bao gồm một đĩa vỡ an toàn và một ống phát hiện áp suất bên ngoài (dung sai áp suất ≥0,02 MPa).
• Khí thải được làm sạch bằng hộp hấp phụ than hoạt tính. Chúng ta có thể trang bị bộ lọc vật liệu PE và tháp đốt.

Đánh giá

Thuận lợi:

• Độ đồng đều tuyệt vời:
  Tiếp xúc khí-rắn là đủ, cho phép silane lắng đọng tại chỗ trong các lỗ rỗng carbon. Kết quả là, lớp phủ dày đặc và phân tán đều, góp phần cải thiện hiệu suất chu trình.
• Hiệu quả cao:
  Tỷ lệ sử dụng silane có thể đạt tới 95%, cao hơn đáng kể so với 60% thường thấy ở lò quay truyền thống. Điều này không chỉ giúp giảm chi phí nguyên liệu thô mà còn thúc đẩy quá trình công nghiệp hóa.
• Kiểm soát cấu trúc mạnh mẽ:
  Quá trình này cho phép kiểm soát chính xác hàm lượng silicon (10%-15%), kích thước hạt (20–100 nm) và phân bố lỗ chân lông, mang lại khả năng thích ứng tuyệt vời với các yêu cầu cụ thể.

Nhược điểm:

• Yêu cầu về niêm phong thiết bị cao:
  Thiết bị phải có lớp đệm cực kỳ kín để ngăn ngừa rò rỉ và nổ silan độc hại, dễ cháy, đây là một thách thức đáng kể.
• Kiểm soát nhiệt độ nghiêm ngặt:
  Kiểm soát nhiệt độ phải chính xác. Bản chất tỏa nhiệt của phản ứng đòi hỏi phải kiểm soát nhiệt độ theo từng đoạn, trong khi khí làm mát là cần thiết để tránh quá nhiệt cục bộ.
• Sức chứa thiết bị hạn chế:
  Hiện tại, thiết bị chính có công suất khoảng 100 kg. Để mở rộng lên công suất cấp tấn, cần có mô phỏng CFD để tối ưu hóa trường dòng chảy.

Nhiệt phân phun

Dung dịch tiền chất được phun sương. Sau đó, nó trải qua quá trình nhiệt phân và thiêu kết trong lò nung nhiệt độ cao. Quá trình này tạo thành vật liệu composite silicon-carbon.

Thiết bị cốt lõi

Đánh giá

• Thuận lợi:
  Quá trình này diễn ra liên tục, đảm bảo tính ổn định tương đối tốt giữa các mẻ. Ngoài ra, dễ dàng kết hợp các vật liệu như ống nano carbon hoặc graphene, giúp cải thiện độ dẫn điện.
• Nhược điểm:
  Tuy nhiên, nhiệt độ nứt tương đối thấp (≤500°C), dẫn đến cấu trúc lớp carbon không đủ ổn định.
• Ứng dụng:
  Hiện tại, quy trình này đang trong giai đoạn phát triển. Ứng dụng mục tiêu của nó là sạc pin nhanh, tận dụng đặc tính giãn nở thấp của nó.
• Hệ thống điều khiển tự động:
  Hệ thống được trang bị màn hình cảm ứng PLC tích hợp điều khiển nhiệt độ, lưu lượng và mức chất lỏng để nâng cao hiệu quả hoạt động.
• Xử lý khí thải:
  Chúng tôi xử lý khí thải thông qua lò TO (đốt cháy oxy hóa nhiệt), sau đó là hộp hấp phụ than hoạt tính để đảm bảo thanh lọc triệt để.
• Hệ thống thu gom bột:
  Bột được thu thập thông qua quá trình lọc nhiều giai đoạn, chẳng hạn như sàng ba giai đoạn. Kích thước hạt mục tiêu là 1–3 μm, đảm bảo thu thập chất lượng cao.
• Máy hút bụi xung:
  Máy thu bụi xung đạt hiệu suất lọc ≥99% và bao gồm phễu thu bụi tự động để dễ dàng xử lý.
• Máy tạo sương mù siêu nhỏ:
  Chúng tôi sử dụng máy phun sương siêu âm để tạo ra các giọt chất lỏng có kích thước từ 1–10 μm, tạo ra sương mù chính xác.
• Van đồng lưu khí-lỏng:
  Van đồng dòng khí-lỏng có thiết kế ống có đường kính thay đổi, đảm bảo tỷ lệ dòng khí-lỏng khoảng 100:1 để có hiệu suất tối ưu.
• Lò ống để nứt:
  Lò ống có hai vùng nhiệt độ, với nhiệt độ dao động từ 300–500°C. Hơn nữa, chúng tôi có thể đưa khí khử vào để tối ưu hóa quy trình hơn nữa.

Bột Epic