실리콘 기반 음극 생산 공정에서 특수 장비의 선택 및 구성은 제품 품질과 생산 효율에 직접적인 영향을 미칩니다. 기존 흑연 음극 생산에 비해 실리콘 기반 음극 생산 장비는 기술적 요구 사항이 더 높고 제어 정확도가 더 높습니다. 실리콘-산소 음극과 실리콘-탄소 음극의 공정 특성에 따라 핵심 장비는 다르지만, 일부 공통 장비를 공유할 수도 있습니다.
실리콘 기반 양극 생산의 주요 장비 및 기술적 특성
승화로 시스템
승화로 시스템은 실리콘-산소 양극 전구체를 제조하는 핵심 장비로, 주로 산화규소(SiOx) 합성에 사용됩니다. 최신 승화로는 일반적으로 수직형 설계를 채택하며 두 개의 기능 영역으로 구성됩니다. 하단은 중주파 유도 가열 또는 실리콘-몰리브덴 막대 가열을 사용하는 가열 영역으로, 최대 1200~1800°C까지 가열할 수 있습니다. 상단은 수냉식 포집판이 장착된 증착 영역으로, 응축 온도는 열교환 시스템을 통해 400~800°C 범위에 있습니다.
승화로는 진공 또는 저압 환경(0.01~1000Pa)에서 작동하며, 고성능 진공 펌프 그룹과 압력 제어 시스템이 필요합니다. 첨단 승화로는 온도 분포와 재료 승화 속도를 실시간으로 추적하여 SiOx 조성의 균일성과 안정성을 보장하는 온라인 모니터링 시스템을 통합합니다. 중국 에너지절약공정기술연구원에서 개발한 승화로는 태양광 폐결정질 실리콘과 석영 모래를 원료로 혁신적으로 사용하여 비용을 절감하고 자원 재활용을 실현합니다.
나노실리콘 제조 장비
나노실리콘 제조 장비는 실리콘-탄소 양극 생산에 필수적입니다. 기술 경로에 따라 크게 CVD(화학 기상 증착) 시스템과 PVD(물리 기상 증착) 시스템 두 가지로 나뉩니다. CVD 나노실리콘 생산 장비는 실란(SiH₄)을 반응 원료로 사용하여 열분해를 통해 나노실리콘 분말을 제조합니다. 일반적인 장비에는 가스 소스 정제 시스템, 반응 챔버, 가열 시스템, 테일 가스 처리 시스템, 그리고 포집 장치가 포함됩니다. 반응 챔버는 일반적으로 유동층 또는 고정층으로 설계됩니다. 온도 제어 정확도는 ± 5°C 이내여야 합니다.
국내 기업인 중닝실리콘공업(Zhongning Silicon Industry)의 열 CVD 생산 라인은 20~100nm 범위의 고순도 실리콘 분말을 생산할 수 있으며, 연간 생산 용량은 500톤입니다. PVD 방식은 플라즈마 증발 및 응축 기술을 사용합니다. 보첸신소재(Boqian New Materials)가 개발한 플라즈마 증발 및 응축 물리 기상법(PVP) 장치와 같은 대표적인 장비를 사용하면 상압에서 100nm 미만의 입자 크기를 가진 구형 실리콘 분말을 생산할 수 있어 고순도 및 균일한 입자 크기의 장점을 제공합니다.
실리콘 기반 음극용 복합 및 분산 장비
복합 및 분산 장비는 실리콘 기반 음극의 성능에 중요한 역할을 합니다. 이 장비에는 고속 믹서, 샌드 밀, 초음파 분산 시스템이 포함됩니다.
실리콘-탄소 음극의 샌드 밀링 공정에 일반적으로 사용되는 장비는 산화지르코늄 또는 탄화텅스텐(3mm와 5mm 혼합) 분쇄 매체를 사용하는 수평 샌드 밀입니다. 분쇄 강도와 시간은 재료 특성에 따라 정확해야 합니다. 상하이 산산 테크놀로지(Shanghai Shanshan Technology)에서 개발한 복합 장비는 초음파 분산과 샌드 밀링 공정을 혁신적으로 결합했습니다. 먼저, 초음파 전처리는 전력과 시간을 조절하여 입자 응집을 분해할 수 있습니다. 그 후 샌드 밀링과 정련을 통해 가공을 지속하고 분산 효과를 크게 향상시킵니다.
과립화 및 건조 장비
과립화 및 건조 장비는 나노 실리콘 또는 산화규소 분말을 후속 가공에 적합한 2차 입자로 변환하는 데 사용됩니다. 가장 일반적으로 사용되는 과립화 장비는 분무 건조탑입니다. 실리콘 함유 슬러리를 바인더와 혼합한 후, 분무기를 통해 미세 입자를 형성합니다. 이 입자는 열풍으로 빠르게 건조됩니다. 중국 에너지 절약 공정 기술 연구원에서 개발한 2차 과립화 시스템은 특수 설계된 분무기와 열풍 순환 시스템을 채택하여 30~50μm 범위의 균일한 입자를 제조하여 초미립 분말의 유동성을 크게 향상시킵니다. 용매 기반 시스템의 경우, 진공 건조기 또는 디스크 건조기를 사용할 수도 있지만, 방폭 및 용매 회수 문제에 주의해야 합니다. 새로운 유동층 과립화 및 건조 일체형 기계는 유동화와 분무 기술을 결합하여 더 높은 과립화 효율과 더 나은 입자 강도를 제공합니다. 이 시스템은 고급 실리콘 기반 음극 생산에 점차 도입되고 있습니다.
코팅 및 열처리 장비
코팅 및 열처리 장비는 실리콘 기반 음극의 전기화학적 성능 향상에 중요한 역할을 합니다. 이러한 장비에는 유동층 CVD 시스템, 회전로, 관형로 등이 있습니다. 유동층 반응기는 실리콘-산소 음극의 탄소 코팅에 특히 효과적입니다. 작업자는 유동화 가스 속도(예: 초기 설정 8L/s)와 온도 영역(600~1000°C)을 정밀하게 제어하여 균일한 탄소층 증착을 달성합니다. 첨단 유동층 시스템은 예열 온도 400°C 이상인 예열기와 열교환기를 갖추고 있어 에너지 소비를 줄이고 온도 변동을 최소화합니다.
실리콘-탄소 음극의 탄화 처리를 위해 제조업체들은 일반적으로 대기 보호형 회전식 가마 또는 푸시 플레이트 가마를 사용합니다. 이러한 가마는 일반적으로 1000~1500°C의 온도 범위에서 작동하며, 처리 시간은 2~5시간입니다. 중남대학교 연구팀은 특수 설계된 열처리로를 사용하여 결함 강화 나노결정 실리콘 기술을 개발했습니다. 연구팀은 가열 속도와 분위기 조성을 정밀하게 제어하여 적층 결함 및 나노쌍정과 같은 결함 구조를 결정질 실리콘 폐기물에 도입함으로써 실리콘 음극의 사이클 안정성을 크게 향상시켰습니다.
후처리 장비
후처리 장비에는 분쇄, 분류, 표면 처리 및 포장을 위한 특수 장비가 포함됩니다.
제트 밀은 초미분 분쇄의 주류 장비입니다. 충돌 설계를 통해 금속 오염을 방지하고 재료를 필요한 입자 크기(일반적으로 D50 < 10μm)로 분쇄합니다. 분급 시스템은 주로 공기 분급기를 사용하여 입자의 공기역학적 직경을 기준으로 정확하게 분급합니다. 표면 처리 장비에는 실리콘 기반 재료 표면에 기능성 코팅을 도포하는 데 사용되는 개량형 믹서와 코팅기가 포함됩니다. 탈자기는 일반적으로 다단계 고구배 자기 분리 설계를 사용하여 원자재 취급 및 생산 공정 중 발생할 수 있는 금속 불순물을 제거하는 데 사용됩니다. 포장 장비는 실리콘 기반 재료가 수분을 흡수하여 산화되는 것을 방지하기 위해 건조 분위기 또는 진공 환경에서 작동해야 합니다.
자동 제어 시스템
자동화 제어 시스템은 현대식 실리콘 기반 음극 생산 라인의 신경 중추 역할을 하며, 각 공정의 조정된 제어와 데이터 수집을 담당합니다.
일반적인 수집 제어 시스템에는 승화로의 반응 온도, 증착 구역의 증착 온도, 유동층의 반응 온도, 예열기 온도와 같은 주요 매개변수를 실시간으로 모니터링하는 온도 및 유량 제어 모듈이 포함됩니다. 또한, 이 시스템은 승화로의 출력, 유동층의 공급량, 가스 공급 유량, 출력량과 같은 생산 데이터를 수집 및 분석하여 공정을 최적화하고 품질 추적성을 보장합니다. 첨단 공장에서는 MES(제조 실행 시스템)와 산업 인터넷 기술을 활용하여 전체 생산 공정의 디지털 및 지능형 관리를 구현합니다.
표: 실리콘 기반 음극 생산을 위한 주요 장비 및 기술 매개변수
| 장비 유형 | 주요 기능 | 주요 기술 매개변수 | 대표 제조업체/기술 |
| 승화로 시스템 | SiOx 합성 및 증착 | 온도 1200-1800°C, 압력 0.01-1000Pa | CECEP 공학기술연구소 |
| 나노-Si CVD 장비 | 나노실리콘 분말 생산 | 실란 분해, 입자 크기 20-100nm | 중닝실리콘(듀오플루오라이드 자회사) |
| 나노-Si PVD 장비 | 고순도 나노실리콘 생산 | 플라스마 증발-응축, 입자 크기 <100nm | 보첸 신소재 |
| 샌드 밀 분산 시스템 | Si/C 복합재 및 정제 | 분쇄 매체 3/5mm, 처리 시간 1-3시간 | 상하이 산산테크 |
| 분무 과립화 타워 | 2차 입자 준비 | 입자 크기 30-50μm | 다양한 전문 제조업체 |
| 유동층 CVD 시스템 | 탄소 코팅 처리 | 온도 600-1000°C, 가스 속도 8L/s | 독점 기술 |
| 분위기 소결로 | 탄화 열처리 | 온도 1000-1500°C, 지속 시간 2-5시간 | 다양한 전문 제조업체 |
| 제트 밀링 및 분류 시스템 | 초미분 분쇄 및 분류 | D50<10μm, 다단계 분류 | 국내/해외 전문 제조업체 |
실리콘 기반 음극 산업의 급속한 발전에 따라 생산 장비는 대규모, 연속적, 그리고 더욱 지능적인 설계로 진화하고 있습니다. 예를 들어, 연속 공급 설계는 기존의 일괄 승화로를 대체할 수 있습니다. 여러 유동층을 직렬로 연결하면 다양한 기능층의 순차적인 코팅을 달성할 수 있습니다. 공정 매개변수 최적화 및 품질 예측에는 AI 기술이 적용될 수 있습니다. 이러한 기술 발전은 실리콘 기반 음극의 생산 효율, 제품 일관성, 그리고 비용 경쟁력을 더욱 향상시켜 고급 전력 배터리에서의 대량 적용을 가속화할 것입니다.
Epic Powder Machinery 소개
에픽 파우더 머시너리중국 칭다오에 본사를 둔 는 초미분 분쇄 및 분급 시스템을 전문으로 합니다. 당사는 제트 밀, 에어 분급 밀 등 첨단 장비를 설계 및 제조하여 리튬 이온 배터리와 같은 산업 분야에 서비스를 제공합니다. 품질과 혁신에 중점을 두고 생산 효율성과 일관성을 최적화할 수 있도록 지원합니다.