シリコン系陽極の製造プロセスにおいて、専用設備の選択と配置は製品の品質と生産効率に直接影響します。従来のグラファイト陽極製造と比較して、シリコン系陽極製造設備はより高い技術要件とより厳格な制御精度を要求されます。シリコン酸素陽極とシリコン炭素陽極のプロセス特性に応じて、それぞれのコア設備は異なりますが、一部の汎用設備は共通化されています。
シリコンベースの陽極生産における主要な設備と技術的特徴
昇華炉システム
昇華炉システムは、シリコン-酸素系陽極前駆体を製造するための中核設備であり、主にシリコン酸化物（SiOx）の合成に使用されます。現代の昇華炉は通常、垂直設計を採用しており、2つの機能領域を備えています。下部は加熱領域で、中周波誘導加熱またはシリコン-モリブデン棒加熱を採用しています。その温度は1200～1800℃に達します。上部は堆積領域で、水冷式集熱プレートを備えています。凝縮温度は熱交換システムによって400～800℃の範囲に保たれます。
昇華炉は真空または低圧環境（0.01～1000Pa）で動作し、高性能真空ポンプ群と圧力制御システムが必要です。先進的な昇華炉には、温度分布と材料の昇華速度をリアルタイムで追跡できるオンライン監視システムも統合されており、SiOx組成の均一性と安定性を確保しています。中国省エネ工学技術研究院が開発した昇華炉は、太陽光発電廃棄物の結晶シリコンと石英砂を原料として革新的に利用することで、コスト削減と資源循環を実現しています。
ナノシリコン製造装置
ナノシリコン製造装置は、シリコンカーボン陽極の製造に不可欠です。製造工程の違いにより、CVD（化学蒸着）装置とPVD（物理蒸着）装置の2種類に大別されます。CVDナノシリコン製造装置は、シラン（SiH4）を反応原料として用い、熱分解によりナノシリコン粉末を製造します。典型的な装置は、ガス源精製システム、反応室、加熱システム、排ガス処理システム、回収装置などから構成されます。反応室は通常、流動床または固定床で設計されます。温度制御精度は±5℃以内でなければなりません。
国内企業である中寧シリコン工業の熱CVD生産ラインは、20～100nmの高純度シリコン粉末を生産でき、年間500トンの生産能力を有しています。PVD法はプラズマ蒸発凝縮技術を採用しています。代表的な設備としては、博前新材料が開発した常圧プラズマ蒸発凝縮物理気相法装置があり、粒子径100nm以下の球状シリコン粉末を生産でき、高純度と粒子径の均一性といった利点を有しています。
シリコン系負極用複合・分散装置
複合・分散装置は、シリコン系負極の性能向上に重要な役割を果たします。これらの装置には、高速ミキサー、サンドミル、超音波分散システムなどが含まれます。
シリコンカーボン負極のサンドミル加工では、一般的に酸化ジルコニウムまたは炭化タングステン（3mmと5mmの混合）の研磨材を用いた水平サンドミルが用いられます。研磨強度と研磨時間は、材料特性に応じて正確に調整する必要があります。上海杉杉科技が開発した複合加工装置は、超音波分散とサンドミル加工を革新的に組み合わせたものです。まず、超音波前処理により、出力と時間を調整することで粒子の凝集を分散させます。その後、サンドミル加工と精製を繰り返し行うことで、分散効果を大幅に向上させます。
造粒・乾燥装置
造粒乾燥装置は、ナノシリコンまたは酸化ケイ素粉末を後続の処理に適した二次粒子に変換するために使用されます。最も一般的な造粒装置は噴霧乾燥塔です。シリコン含有スラリーをバインダーと混合した後、アトマイザーを通して小さな液滴を形成し、熱風で急速に乾燥させます。中国省エネ工学技術研究院が開発した二次造粒システムは、特別に設計されたアトマイザーと熱風循環システムを採用し、30～50μmの範囲の均一な粒子を調製し、超微粉末の流動性を大幅に向上させます。溶剤ベースのシステムの場合、真空乾燥機やディスク乾燥機も使用できますが、防爆性と溶剤回収の問題に注意する必要があります。新しい流動床造粒乾燥オールインワンマシンは、流動化技術と噴霧技術を組み合わせ、より高い造粒効率と優れた粒子強度を提供します。これは、ハイエンドのシリコンベース負極生産に徐々に採用されています。
コーティングおよび熱処理装置
コーティングおよび熱処理装置は、シリコン系負極の電気化学的性能向上に重要な役割を果たします。これらの装置には、流動床CVDシステム、ロータリーキルン、管状炉などがあります。流動床反応器は、シリコン酸素負極の炭素コーティングに特に効果的です。オペレーターは、流動化ガス流速（初期設定値：8L/sなど）と温度範囲（600～1000℃）を精密に制御することで、均一な炭素層の堆積を実現します。高度な流動床システムは、予熱温度400℃以上の予熱ヒーターと熱交換器を備えており、エネルギー消費を削減し、温度変動を最小限に抑えます。
シリコンカーボン負極の炭化処理には、一般的に雰囲気保護型ロータリーキルンまたはプッシュプレートキルンが用いられます。これらの炉は通常、1000～1500℃の温度範囲で運転され、処理時間は2～5時間です。中南大学の研究チームは、特別に設計された熱処理炉を用いて、欠陥強化型ナノ結晶シリコン技術を開発しました。加熱速度と雰囲気組成を精密に制御することで、積層欠陥やナノ双晶などの欠陥構造を結晶シリコン廃棄物に導入し、シリコン負極のサイクル安定性を大幅に向上させました。
後処理装置
後処理装置には、粉砕、選別、表面処理、包装のための専用装置が含まれます。
ジェットミルは超微粉砕の主流装置です。衝突設計により金属汚染を回避し、材料を必要な粒子径（通常、D50 < 10μm）まで粉砕します。分級システムでは、主に空気分級機を用いて粒子を空気力学的直径に基づいて正確に分級します。表面処理装置には、シリコン系材料の表面に機能性コーティングを施すために使用される改造ミキサーやコーティング機が含まれます。脱磁装置は、原材料の取り扱いや製造工程で混入する可能性のある金属不純物を除去するために使用され、通常は多段式高勾配磁気分離設計が用いられます。包装装置は、シリコン系材料が水分を吸収して酸化するのを防ぐため、乾燥雰囲気または真空環境で動作する必要があります。
自動制御システム
自動制御システムは、最新のシリコンベース負極生産ラインの中枢として機能し、各プロセスの協調制御とデータ収集を担います。
典型的な取得制御システムには、昇華炉の反応温度、堆積ゾーンの堆積温度、流動層の反応温度、予熱器の温度などの主要なパラメータをリアルタイムで監視する温度制御モジュールと流量制御モジュールが含まれています。また、昇華炉の出力、流動層への供給量、ガス源流量、出力量などの生産データを収集・分析することで、プロセスを最適化し、品質トレーサビリティを確保します。先進的な工場では、MES（製造実行システム）とインダストリアルインターネット技術を活用し、生産プロセス全体のデジタル化とインテリジェント化を実現しています。
表：シリコン系負極製造における主要な設備と技術的パラメータ
| 機器の種類 | 主な機能 | 主要な技術的パラメータ | 代表的なメーカー/技術 |
| 昇華炉システム | SiOx合成と堆積 | 温度1200～1800℃、圧力0.01～1000Pa | CECEPエンジニアリング技術研究所 |
| ナノシリコンCVD装置 | ナノシリコン粉末製造 | シラン分解、粒子サイズ20-100nm | 中寧シリコン（デュオフルオライドの子会社） |
| ナノシリコンPVD装置 | 高純度ナノシリコン製造 | プラズマ蒸発凝縮、粒子サイズ<100nm | 博謙新材料 |
| サンドミル分散システム | Si/C複合材料と精製 | 研磨媒体3/5mm、処理時間1～3時間 | 上海杉杉科技 |
| スプレー造粒塔 | 二次粒子調製 | 粒子サイズ30～50μm | 各種専門メーカー |
| 流動床CVDシステム | カーボンコーティング処理 | 温度600～1000℃、ガス流速8L/s | 独自の技術 |
| 雰囲気焼結炉 | 炭化熱処理 | 温度1000～1500℃、時間2～5時間 | 各種専門メーカー |
| ジェット粉砕・分級システム | 超微粉砕および分級 | D50<10μm、多段分級 | 国内外の専門メーカー |
シリコン系負極産業の急速な発展に伴い、生産設備はより大規模、連続的、そしてよりインテリジェントな設計へと進化しています。例えば、連続供給設計は従来のバッチ式昇華炉の代替となり、複数の流動床を直列に接続することで、異なる機能層の連続コーティングが可能になります。また、プロセスパラメータの最適化と品質予測にはAI技術を活用することができます。これらの技術進歩は、シリコン系負極の生産効率、製品の一貫性、そしてコスト競争力をさらに向上させ、ハイエンドパワーバッテリーへの大規模応用を加速させるでしょう。
エピックパウダーマシナリーについて
エピックパウダーマシナリー中国・青島に拠点を置く当社は、超微粉砕・分級システムを専門としています。ジェットミルやエアクラシファイアミルなどの先進的な装置を設計・製造し、リチウムイオン電池などの産業にサービスを提供しています。品質とイノベーションを重視し、生産効率と安定性の最適化を支援します。