المعدات الرئيسية لإنتاج الأنود القائم على السيليكون

في عملية إنتاج الأنود السيليكوني، يؤثر اختيار وتكوين المعدات الخاصة بشكل مباشر على جودة المنتج وكفاءة الإنتاج. بالمقارنة مع إنتاج أنود الجرافيت التقليدي، تتطلب معدات إنتاج الأنود السيليكوني متطلبات تقنية أعلى ودقة تحكم أعلى. تختلف معدات أنود السيليكون-الأكسجين وأنود السيليكون-الكربون الأساسية باختلاف خصائص عملية كل منهما، إلا أنها قد تشترك في بعض المعدات العامة.

المعدات الرئيسية والخصائص التقنية في إنتاج الأنود القائم على السيليكون

نظام فرن التسامي

يُعدّ نظام فرن التسامي الجهازَ الأساسي لتحضير سلائف أنود السيليكون-الأكسجين، ويُستخدم بشكلٍ رئيسي في تصنيع أكسيد السيليكون (SiOx). عادةً ما تعتمد أفران التسامي الحديثة تصميمًا رأسيًا، وتتكون من منطقتين وظيفيتين. الجزء السفلي هو منطقة التسخين، التي تستخدم التسخين الحثي متوسط التردد أو تسخين قضبان السيليكون-الموليبدينوم. تتراوح درجات حرارتها بين 1200 و1800 درجة مئوية. أما الجزء العلوي فهو منطقة الترسيب، المجهزة بلوحة تجميع مبردة بالماء. تتراوح درجة حرارة التكثيف بين 400 و800 درجة مئوية عبر نظام التبادل الحراري.

يعمل فرن التسامي في بيئة فراغ أو ضغط منخفض (0.01 - 1000 باسكال)، ويتطلب مجموعة مضخات تفريغ عالية الأداء ونظامًا للتحكم في الضغط. كما تدمج أفران التسامي المتطورة نظام مراقبة عبر الإنترنت يتتبع توزيع مجال درجة الحرارة ومعدل تسامي المواد آنيًا، لضمان اتساق واستقرار تركيبة SiOx. يستخدم فرن التسامي، الذي طوره معهد أبحاث تكنولوجيا هندسة الحفاظ على الطاقة الصيني، بشكل مبتكر نفايات السيليكون البلوري الكهروضوئي ورمل الكوارتز كمواد خام، مما يقلل التكاليف ويحقق إعادة تدوير الموارد.

معدات تحضير السيليكون النانوي

تُعد معدات تحضير السيليكون النانوي أساسية لإنتاج أنودات السيليكون والكربون. وتُقسّم هذه المعدات، حسب الطريقة التقنية، إلى فئتين رئيسيتين: أنظمة الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) وأنظمة الترسيب الفيزيائي للبخار (PVD). تستخدم معدات إنتاج السيليكون النانوي بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) السيلان (SiH4) كمادة خام للتفاعل، وذلك لتحضير مسحوق السيليكون النانوي عن طريق التحلل الحراري. وتشمل المعدات النموذجية نظام تنقية مصدر الغاز، وغرفة تفاعل، ونظام تسخين، ونظام معالجة غازات العادم، وجهاز تجميع. وتُصمم غرفة التفاعل عادةً بطبقة مميعة أو طبقة ثابتة. ويجب أن تكون دقة التحكم في درجة الحرارة في حدود ± 5 درجات مئوية.

يُمكن لخط إنتاج الترسيب الكيميائي البخاري الحراري (CVD) التابع لشركة Zhongning Silicon Industry المحلية، إنتاج مسحوق سيليكون عالي النقاء في نطاق 20-100 نانومتر، بطاقة إنتاجية تبلغ 500 طن سنويًا. تعتمد طريقة الترسيب الفيزيائي للبخار (PVD) على تقنية التبخير والتكثيف البلازمي. وتُنتج معدات نموذجية، مثل جهاز طريقة التبخير والتكثيف البلازمي الفيزيائي للبخار تحت الضغط العادي، مسحوق سيليكون كروي بأحجام جسيمات أقل من 100 نانومتر، مما يوفر مزايا النقاء العالي وحجم الجسيمات الموحد.

معدات مركبة ومشتتة للأقطاب السالبة القائمة على السيليكون

تلعب معدات التركيب والتشتيت دورًا محوريًا في أداء الأقطاب السالبة القائمة على السيليكون. وتشمل هذه المعدات خلاطات عالية السرعة، وطواحين رملية، وأنظمة تشتيت بالموجات فوق الصوتية.

في عملية طحن الرمل للأقطاب السالبة السيليكونية الكربونية، تُستخدم عادةً طاحونة رمل أفقية مع وسائط طحن من أكسيد الزركونيوم أو كربيد التنغستن (مزيج من 3 مم و5 مم). يجب أن تكون شدة الطحن ووقته دقيقين وفقًا لخصائص المادة. تجمع معدات المواد المركبة، التي طورتها شركة شنغهاي شانشان للتكنولوجيا، بشكل مبتكر بين التشتت بالموجات فوق الصوتية وعملية طحن الرمل. أولاً، تُفتت المعالجة المسبقة بالموجات فوق الصوتية تكتل الجسيمات بقوة ووقت قابلين للتعديل. بعد ذلك، تُواصل عملية طحن الرمل وتنقيته المعالجة، مما يُحسّن بشكل كبير من تأثير التشتت.

معدات التحبيب والتجفيف

تُستخدم معدات التحبيب والتجفيف لتحويل مسحوق السيليكون النانوي أو أكسيد السيليكون إلى جسيمات ثانوية مناسبة للمعالجة اللاحقة. يُعد برج التجفيف بالرش أكثر معدات التحبيب شيوعًا. بعد خلط الملاط المحتوي على السيليكون مع المادة الرابطة، تتشكل قطرات صغيرة عبر مرذاذ. يجف بسرعة تحت تأثير الهواء الساخن. يعتمد نظام التحبيب الثانوي الذي طوره معهد أبحاث هندسة وتكنولوجيا الحفاظ على الطاقة الصيني على مرذاذ مصمم خصيصًا ونظام تدوير الهواء الساخن لإعداد جسيمات موحدة في نطاق 30 إلى 50 ميكرومتر، مما يحسن بشكل كبير من سيولة المساحيق فائقة الدقة. بالنسبة للأنظمة القائمة على المذيبات، يمكن أيضًا استخدام مجففات التفريغ أو مجففات الأقراص، ولكن يجب إيلاء الاهتمام لمسائل مقاومة الانفجار واستعادة المذيبات. يجمع جهاز التحبيب والتجفيف المميّع الجديد بين تقنية التسييل والرش، مما يوفر كفاءة تحبيب أعلى وقوة جسيمات أفضل. يتم اعتماده تدريجيًا في إنتاج الأقطاب السالبة عالية الجودة القائمة على السيليكون.

معدات الطلاء والمعالجة الحرارية

تلعب معدات الطلاء والمعالجة الحرارية دورًا حاسمًا في تحسين الأداء الكهروكيميائي للأقطاب السالبة القائمة على السيليكون. وتشمل هذه المعدات أنظمة الترسيب الكيميائي البخاري بالسرير المميع، والأفران الدوارة، والأفران الأنبوبية. تُعد مفاعلات السرير المميع فعالة بشكل خاص في طلاء الكربون للأقطاب السالبة المكونة من السيليكون والأكسجين. يحقق المشغلون ترسيبًا موحدًا لطبقة الكربون من خلال التحكم الدقيق في سرعة غاز التسييل (مثل ضبط أولي يبلغ 8 لترات/ثانية) ومجال درجة الحرارة (600-1000 درجة مئوية). تتميز أنظمة السرير المميع المتقدمة بسخانات مسبقة (بدرجات حرارة تسخين مسبق ≥ 400 درجة مئوية) ومبادلات حرارية، مما يقلل من استهلاك الطاقة ويقلل من تقلبات درجات الحرارة.

لمعالجة أقطاب السيليكون-الكربون السالبة بالكربنة، يستخدم المصنعون عادةً أفرانًا دوارة محمية من الغلاف الجوي أو أفرانًا ذات ألواح دفع. تعمل هذه الأفران عادةً في نطاق درجة حرارة يتراوح بين 1000 و1500 درجة مئوية، بمدة معالجة تتراوح بين ساعتين وخمس ساعات. طوّر فريق جامعة سنترال ساوث تقنية السيليكون النانوي البلوري المُحسّن للعيوب، باستخدام فرن معالجة حرارية مصمم خصيصًا. يتحكم الفريق بدقة في معدل التسخين وتركيب الغلاف الجوي لإدخال هياكل معيبة، مثل عيوب التكديس والتوائم النانوية، في نفايات السيليكون البلورية، مما يُحسّن بشكل كبير من استقرار دورة أقطاب السيليكون السالبة.

معدات ما بعد المعالجة

تتضمن معدات ما بعد المعالجة معدات متخصصة للسحق والتصنيف ومعالجة الأسطح والتعبئة والتغليف.

مطحنة النفاثة هي المُعدة الرئيسية للطحن فائق الدقة. فهي تتجنب تلوث المعادن من خلال تصميمها التصادمي، وتُسحق المادة إلى حجم الجسيمات المطلوب (عادةً D50 < 10 ميكرومتر). يستخدم نظام التصنيف بشكل أساسي مُصنِّفات هوائية لتصنيف الجسيمات بدقة بناءً على قطرها الديناميكي الهوائي. تشمل معدات معالجة الأسطح خلاطات مُعدّلة وآلات طلاء، تُستخدم لتطبيق الطلاءات الوظيفية على أسطح المواد القائمة على السيليكون. تُستخدم أجهزة إزالة المغناطيسية لإزالة الشوائب المعدنية التي قد تتراكم أثناء مناولة المواد الخام وعملية الإنتاج، عادةً باستخدام تصميم فصل مغناطيسي عالي التدرج متعدد المراحل. يجب أن تعمل معدات التعبئة والتغليف في جو جاف أو بيئة مفرغة من الهواء لمنع المواد القائمة على السيليكون من امتصاص الرطوبة والأكسدة.

نظام التحكم الآلي

يعمل نظام التحكم الآلي كمركز عصبي لخط إنتاج الأقطاب الكهربائية السلبية الحديثة القائمة على السيليكون، وهو المسؤول عن التحكم المنسق وجمع البيانات لكل عملية.

يتضمن نظام التحكم النموذجي في الاستحواذ وحدات تحكم في درجة الحرارة والتدفق تراقب المعلمات الرئيسية، مثل درجة حرارة تفاعل فرن التسامي، ودرجة حرارة الترسيب في منطقة الترسيب، ودرجة حرارة تفاعل الطبقة المميعة، ودرجة حرارة التسخين المسبق، في الوقت الفعلي. كما يجمع النظام ويحلل بيانات الإنتاج، مثل مخرجات فرن التسامي، وكمية تغذية الطبقة المميعة، ومعدل تدفق مصدر الغاز، وكمية المخرجات، لتحسين العملية وضمان تتبع الجودة. كما تستخدم المصانع المتقدمة نظام تنفيذ التصنيع (MES) وتكنولوجيا الإنترنت الصناعي لتمكين الإدارة الرقمية والذكية لعملية الإنتاج بأكملها.

الجدول: المعدات الرئيسية والمعايير الفنية لإنتاج الأقطاب الكهربائية السلبية القائمة على السيليكون

نوع المعدات	الوظيفة الأساسية	المعايير الفنية الرئيسية	الشركات المصنعة/التقنيات التمثيلية
نظام فرن التسامي	تخليق وترسيب أكسيد السيليكون	درجة الحرارة 1200-1800 درجة مئوية، الضغط 0.01-1000 باسكال	معهد أبحاث تكنولوجيا الهندسة CECEP
معدات ترسيب البخار الكيميائي النانوي-السيليكون	إنتاج مسحوق السيليكون النانوي	تحلل السيلان، حجم الجسيمات 20-100 نانومتر	تشونغنينغ سيليكون (شركة تابعة لشركة دوفلورايد)
معدات PVD النانوية-السيليكونية	إنتاج السيليكون النانوي عالي النقاء	تبخر البلازما - التكثيف، حجم الجسيمات <100 نانومتر	مواد جديدة من شركة بو تشيان
نظام تشتيت طاحونة الرمل	مركبات السيليكون والكربون والتحسين	وسائط الطحن 3/5 مم، وقت المعالجة 1-3 ساعات	شركة شنغهاي شانشان للتكنولوجيا
برج التحبيب بالرش	تحضير الجسيمات الثانوية	حجم الجسيمات 30-50 ميكرومتر	مختلف الشركات المصنعة المتخصصة
نظام الترسيب الكيميائي البخاري للسرير المميّع	معالجة طلاء الكربون	درجة الحرارة 600-1000 درجة مئوية، سرعة الغاز 8 لتر/ثانية	التكنولوجيا الملكية
فرن التلبيد الجوي	المعالجة الحرارية بالكربنة	درجة الحرارة 1000-1500 درجة مئوية، المدة 2-5 ساعات	مختلف الشركات المصنعة المتخصصة
نظام الطحن والتصنيف النفاث	الطحن والتصنيف فائق الدقة	D50<10μm، تصنيف متعدد المراحل	الشركات المصنعة المتخصصة المحلية/الدولية

مع التطور السريع لصناعة الأقطاب السالبة القائمة على السيليكون، تتطور معدات الإنتاج نحو تصاميم أكبر حجمًا وأكثر استمرارية وذكاءً. على سبيل المثال، يمكن لتصاميم التغذية المستمرة أن تحل محل أفران التسامي الدفعية التقليدية. يمكن لطبقات مميعة متعددة على التوالي تحقيق طلاء متسلسل لطبقات وظيفية مختلفة. يمكن استخدام تقنيات الذكاء الاصطناعي لتحسين معاملات العملية والتنبؤ بالجودة. ستؤدي هذه التطورات التكنولوجية إلى تحسين كفاءة الإنتاج، وتناسق المنتج، والقدرة التنافسية من حيث التكلفة للأقطاب السالبة القائمة على السيليكون، مما يُسرّع تطبيقها على نطاق واسع في بطاريات الطاقة عالية الأداء.

نبذة عن شركة Epic Powder Machinery

آلات مسحوق ملحمة، ومقرها تشينغداو، الصين، متخصصة في أنظمة الطحن والتصنيف فائقة الدقة. نقوم بتصميم وتصنيع معدات متطورة، بما في ذلك مطاحن النفث ومطاحن التصنيف الهوائي، لخدمة صناعات مثل بطاريات الليثيوم أيون. مع تركيزنا على الجودة والابتكار، نساعدكم على تحسين كفاءة الإنتاج وثباته.