Im Produktionsprozess von Siliziumanoden wirken sich Auswahl und Konfiguration der Spezialausrüstung direkt auf Produktqualität und Produktionseffizienz aus. Im Vergleich zur herkömmlichen Graphitanodenproduktion stellt die Produktionsausrüstung für Siliziumanoden höhere technische Anforderungen und eine strengere Kontrollgenauigkeit. Abhängig von den Prozesseigenschaften von Silizium-Sauerstoff- und Silizium-Kohlenstoff-Anoden unterscheidet sich die Kernausrüstung. Sie können jedoch auch einige gemeinsame Ausrüstungen verwenden.
Wichtige Geräte und technische Merkmale bei der Herstellung von Silizium-Anoden
Das Sublimationsofensystem
Das Sublimationsofensystem ist die Kernanlage zur Herstellung von Silizium-Sauerstoff-Anodenvorläufern, die hauptsächlich zur Synthese von Siliziumoxid (SiOx) verwendet werden. Moderne Sublimationsöfen sind üblicherweise vertikal aufgebaut und verfügen über zwei Funktionsbereiche. Der untere Teil ist der Heizbereich, der mittels Mittelfrequenz-Induktionsheizung oder Silizium-Molybdän-Stabheizung betrieben wird. Die Temperaturen erreichen 1200–1800 °C. Der obere Teil ist der Abscheidungsbereich, ausgestattet mit einer wassergekühlten Sammelplatte. Die Kondensationstemperatur liegt durch das Wärmeaustauschsystem im Bereich von 400–800 °C.
Der Sublimationsofen arbeitet im Vakuum oder bei niedrigem Druck (0,01 – 1000 Pa) und benötigt eine leistungsstarke Vakuumpumpe und ein Druckregelsystem. Moderne Sublimationsöfen verfügen zudem über ein Online-Überwachungssystem, das die Temperaturverteilung und die Sublimationsrate des Materials in Echtzeit verfolgt, um die Gleichmäßigkeit und Stabilität der SiOx-Zusammensetzung zu gewährleisten. Der vom China Energy Conservation Engineering Technology Research Institute entwickelte Sublimationsofen nutzt auf innovative Weise Photovoltaik-Abfall, kristallines Silizium und Quarzsand als Rohstoffe, wodurch Kosten gesenkt und Ressourcenrecycling ermöglicht wird.
Ausrüstung zur Herstellung von Nanosilizium
Anlagen zur Nanosiliziumaufbereitung sind für die Herstellung von Silizium-Kohlenstoff-Anoden unerlässlich. Je nach technischem Verfahren wird hauptsächlich in zwei Kategorien unterteilt: CVD-Systeme (Chemical Vapor Deposition) und PVD-Systeme (Physical Vapor Deposition). CVD-Anlagen zur Nanosiliziumproduktion verwenden Silan (SiH4) als Reaktionsrohstoff, um durch thermische Zersetzung Nanosiliziumpulver herzustellen. Typische Anlagen umfassen ein Gasquellenreinigungssystem, eine Reaktionskammer, ein Heizsystem, ein Abgasbehandlungssystem und eine Auffangvorrichtung. Die Reaktionskammer ist typischerweise als Wirbel- oder Festbett ausgeführt. Die Temperaturregelgenauigkeit muss innerhalb von ± 5 °C liegen.
Die thermische CVD-Produktionslinie des chinesischen Unternehmens Zhongning Silicon Industry kann hochreines Siliziumpulver im Bereich von 20 bis 100 nm produzieren und verfügt über eine Produktionskapazität von 500 Tonnen pro Jahr. Das PVD-Verfahren nutzt Plasmaverdampfungs- und Kondensationstechnologie. Repräsentative Geräte, wie das von Boqian New Materials entwickelte physikalische Dampfphasenverfahren zur Plasmaverdampfung und -kondensation, können unter Normaldruck sphärisches Siliziumpulver mit Partikelgrößen unter 100 nm produzieren und bieten die Vorteile hoher Reinheit und gleichmäßiger Partikelgröße.
Verbund- und Dispersionsanlagen für Silizium-basierte negative Elektroden
Verbund- und Dispersionsanlagen spielen eine entscheidende Rolle für die Leistungsfähigkeit siliziumbasierter negativer Elektroden. Zu den Anlagen gehören Hochgeschwindigkeitsmischer, Sandmühlen und Ultraschall-Dispergiersysteme.
Für den Sandmahlprozess von Silizium-Kohlenstoff-Negativelektroden wird üblicherweise eine horizontale Sandmühle mit Zirkonoxid- oder Wolframkarbid-Mahlkörpern (3 mm und 5 mm gemischt) verwendet. Mahlintensität und -zeit müssen den Materialeigenschaften entsprechend präzise eingestellt werden. Die von Shanghai Shanshan Technology entwickelte Verbundanlage kombiniert auf innovative Weise Ultraschalldispersion mit dem Sandmahlprozess. Zunächst kann eine Ultraschallvorbehandlung Partikelagglomerationen (mit einstellbarer Leistung und Zeit) aufbrechen. Anschließend wird der Sandmahl- und Veredelungsvorgang fortgesetzt und der Dispersionseffekt deutlich verbessert.
Granulations- und Trocknungsanlagen
Granulier- und Trocknungsanlagen werden verwendet, um Nano-Silizium- oder Siliziumoxidpulver in Sekundärpartikel umzuwandeln, die für die Weiterverarbeitung geeignet sind. Die am häufigsten verwendete Granulieranlage ist der Sprühturm. Nach dem Mischen der siliziumhaltigen Aufschlämmung mit dem Bindemittel werden durch einen Zerstäuber winzige Tröpfchen geformt, die unter Heißluft schnell trocknen. Das vom China Energy Conservation Engineering and Technology Research Institute entwickelte Sekundärgranulationssystem verwendet einen speziell entwickelten Zerstäuber und ein Heißluftzirkulationssystem, um gleichmäßige Partikel im Bereich von 30 bis 50 μm herzustellen und so die Fließfähigkeit ultrafeiner Pulver deutlich zu verbessern. Für lösungsmittelbasierte Systeme können auch Vakuumtrockner oder Scheibentrockner verwendet werden, allerdings müssen dabei Explosionsschutz und die Lösungsmittelrückgewinnung beachtet werden. Die neue Wirbelschicht-Granulier- und Trocknungs-Komplettanlage kombiniert Fluidisierungs- und Sprühtechnologie und bietet so eine höhere Granuliereffizienz und bessere Partikelfestigkeit. Sie wird schrittweise in der Produktion hochwertiger negativer Elektroden auf Siliziumbasis eingesetzt.
Beschichtungs- und Wärmebehandlungsanlagen
Beschichtungs- und Wärmebehandlungsanlagen spielen eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der elektrochemischen Leistungsfähigkeit siliziumbasierter negativer Elektroden. Dazu gehören Wirbelschicht-CVD-Anlagen, Drehrohröfen und Rohröfen. Wirbelschichtreaktoren eignen sich besonders gut für die Kohlenstoffbeschichtung von Silizium-Sauerstoff-negativen Elektroden. Durch die präzise Steuerung der Fluidgasgeschwindigkeit (z. B. eine Anfangseinstellung von 8 l/s) und des Temperaturfelds (600 – 1000 °C) erreichen Anwender eine gleichmäßige Kohlenstoffabscheidung. Moderne Wirbelschichtsysteme verfügen über Vorwärmer (mit Vorwärmtemperaturen ≥ 400 °C) und Wärmetauscher, die den Energieverbrauch senken und Temperaturschwankungen minimieren.
Für die Karbonisierungsbehandlung von Silizium-Kohlenstoff-Negativelektroden verwenden Hersteller üblicherweise atmosphärisch geschützte Drehrohröfen oder Schubplattenöfen. Diese arbeiten typischerweise in einem Temperaturbereich von 1000 bis 1500 °C und haben eine Behandlungsdauer von 2 bis 5 Stunden. Das Team der Central South University entwickelte eine defektverstärkte nanokristalline Siliziumtechnologie mithilfe eines speziell entwickelten Wärmebehandlungsofens. Durch die präzise Steuerung von Heizrate und Atmosphärenzusammensetzung werden Defektstrukturen wie Stapelfehler und Nanozwillinge in kristalline Siliziumabfälle eingebracht, wodurch die Zyklenstabilität von Silizium-Negativelektroden deutlich verbessert wird.
Nachbearbeitungsgeräte
Zu den Nachbearbeitungsgeräten gehören Spezialgeräte zum Zerkleinern, Sortieren, zur Oberflächenbehandlung und Verpackung.
Die Strahlmühle ist das gängige Gerät für die Feinstvermahlung. Sie vermeidet Metallverunreinigungen durch ihre Kollisionskonstruktion und zerkleinert das Material auf die gewünschte Partikelgröße (üblicherweise D50 < 10 μm). Das Klassiersystem nutzt überwiegend Windsichter, um die Partikel anhand ihres aerodynamischen Durchmessers präzise zu klassifizieren. Zu den Oberflächenbehandlungsanlagen gehören modifizierte Mischer und Beschichtungsmaschinen, mit denen funktionelle Beschichtungen auf die Oberfläche siliziumbasierter Materialien aufgebracht werden. Entmagnetisierer entfernen Metallverunreinigungen, die während der Rohstoffhandhabung und des Produktionsprozesses entstehen können. Typischerweise kommt dabei eine mehrstufige Hochgradienten-Magnettrennung zum Einsatz. Verpackungsanlagen müssen in trockener Atmosphäre oder Vakuum betrieben werden, um zu verhindern, dass siliziumbasierte Materialien Feuchtigkeit aufnehmen und oxidieren.
Automatisiertes Kontrollsystem
Das automatisierte Steuerungssystem dient als Nervenzentrum einer modernen Produktionslinie für negative Elektroden auf Siliziumbasis und ist für die koordinierte Steuerung und Datenerfassung jedes einzelnen Prozesses verantwortlich.
Ein typisches Erfassungskontrollsystem umfasst Temperatur- und Durchflussregelmodule, die wichtige Parameter wie die Reaktionstemperatur des Sublimationsofens, die Abscheidungstemperatur der Abscheidungszone, die Reaktionstemperatur der Wirbelschicht und die Vorwärmertemperatur in Echtzeit überwachen. Das System erfasst und analysiert außerdem Produktionsdaten wie die Leistung des Sublimationsofens, die Zufuhrmenge der Wirbelschicht, die Gasdurchflussrate und die Produktionsmenge, um den Prozess zu optimieren und die Qualitätsrückverfolgbarkeit zu gewährleisten. Moderne Fabriken nutzen zudem MES (Manufacturing Execution System) und industrielle Internettechnologie, um eine digitale und intelligente Steuerung des gesamten Produktionsprozesses zu ermöglichen.
Tabelle: Wichtige Ausrüstung und technische Parameter für die Herstellung negativer Elektroden auf Siliziumbasis
| Gerätetyp | Primäre Funktion | Wichtige technische Parameter | Repräsentative Hersteller/Technologien |
| Sublimationsofensystem | SiOx-Synthese und -Abscheidung | Temperatur 1200–1800 °C, Druck 0,01–1000 Pa | CECEP Forschungsinstitut für Ingenieurtechnologie |
| Nano-Si-CVD-Ausrüstung | Herstellung von Nano-Siliziumpulver | Silanzersetzung, Partikelgröße 20-100nm | Zhongning Silicon (Tochtergesellschaft von Duofluoride) |
| Nano-Si-PVD-Ausrüstung | Produktion von hochreinem Nano-Silizium | Plasmaverdampfung-Kondensation, Partikelgröße <100 nm | Boqian Neue Materialien |
| Sandmühlen-Dispergiersystem | Si/C-Verbundwerkstoffe und Veredelung | Mahlkörper 3/5mm, Bearbeitungszeit 1-3h | Shanghai Shanshan Tech |
| Sprühgranulationsturm | Sekundärpartikelpräparation | Partikelgröße 30-50μm | Verschiedene spezialisierte Hersteller |
| Wirbelschicht-CVD-System | Kohlenstoffbeschichtungsbehandlung | Temperatur 600–1000 °C, Gasgeschwindigkeit 8 l/s | Proprietäre Technologie |
| Atmosphären-Sinterofen | Karbonisierungswärmebehandlung | Temperatur 1000-1500°C, Dauer 2-5h | Verschiedene spezialisierte Hersteller |
| Strahlmahl- und Klassifizierungssystem | Ultrafeines Mahlen und Klassieren | D50<10μm, Mehrstufige Klassifizierung | Inländische/internationale Spezialhersteller |
Mit der rasanten Entwicklung der Industrie für negative Elektroden auf Siliziumbasis entwickeln sich Produktionsanlagen hin zu größeren, kontinuierlichen und intelligenteren Designs. Beispielsweise können kontinuierliche Zuführungskonzepte herkömmliche Batch-Sublimationsöfen ersetzen. Mehrere in Reihe geschaltete Wirbelschichten ermöglichen die sequentielle Beschichtung verschiedener Funktionsschichten. KI-Technologie ermöglicht die Optimierung von Prozessparametern und die Qualitätsvorhersage. Diese technologischen Fortschritte werden die Produktionseffizienz, Produktkonsistenz und Kostenwettbewerbsfähigkeit von negativen Elektroden auf Siliziumbasis weiter verbessern und ihren großflächigen Einsatz in hochwertigen Hochleistungsbatterien beschleunigen.
Über Epic Powder Machinery
Epische Pulvermaschinenmit Sitz in Qingdao, China, ist auf Feinmahl- und Klassiersysteme spezialisiert. Wir entwickeln und fertigen moderne Anlagen, darunter Strahlmühlen und Windsichtermühlen, für Branchen wie die Lithium-Ionen-Batterie-Industrie. Mit Fokus auf Qualität und Innovation unterstützen wir Sie bei der Optimierung Ihrer Produktionseffizienz und -konsistenz.