В процессе производства анода на основе кремния выбор и конфигурация специального оборудования напрямую влияют на качество продукции и эффективность производства. По сравнению с традиционным производством графитовых анодов, оборудование для производства анодов на основе кремния имеет более высокие технические требования и более строгую точность контроля. В зависимости от технологических характеристик кремний-кислородных анодов и кремний-углеродных анодов их основное оборудование отличается. Однако они также могут иметь некоторое общее оборудование.
Основное оборудование и технические характеристики в производстве анодов на основе кремния
Система сублимационной печи
Система сублимационной печи является основным оборудованием для подготовки кремний-кислородных анодных прекурсоров, в основном используемых для синтеза оксида кремния (SiOx). Современные сублимационные печи обычно имеют вертикальную конструкцию и имеют две функциональные зоны. Нижняя часть представляет собой зону нагрева, которая использует среднечастотный индукционный нагрев или нагрев кремний-молибденовым стержнем. Ее температура может достигать 1200–1800 °C. Верхняя часть представляет собой зону осаждения, оснащенную водоохлаждаемой сборной пластиной. Температура конденсации находится в диапазоне 400–800 °C через систему теплообмена.
Сублимационная печь работает в вакууме или среде низкого давления (0,01–1000 Па) и требует высокопроизводительной группы вакуумных насосов и системы контроля давления. Современные сублимационные печи также интегрируют систему онлайн-мониторинга, которая может отслеживать распределение температурного поля и скорость сублимации материала в режиме реального времени, чтобы гарантировать однородность и стабильность состава SiOx. Сублимационная печь, разработанная Китайским научно-исследовательским институтом энергосберегающих инженерных технологий, инновационно использует фотоэлектрические отходы кристаллического кремния и кварцевый песок в качестве сырья, снижая затраты и реализуя переработку ресурсов.
Оборудование для получения нанокремния
Оборудование для подготовки нанокремния необходимо для производства кремний-углеродных анодов. В зависимости от технического маршрута оно в основном делится на две категории: системы CVD (химическое осаждение из паровой фазы) и системы PVD (физическое осаждение из паровой фазы). Оборудование для производства нанокремния методом CVD использует силан (SiH4) в качестве реакционного сырья для приготовления порошка нанокремния путем термического разложения. Типичное оборудование включает в себя систему очистки источника газа, реакционную камеру, систему нагрева, систему очистки хвостового газа и устройство сбора. Реакционная камера обычно проектируется с псевдоожиженным или неподвижным слоем. Точность регулирования температуры должна быть в пределах ± 5 °C.
Линия термического CVD-производства Zhongning Silicon Industry, отечественной компании, может производить порошок кремния высокой чистоты в диапазоне 20–100 нм с производственной мощностью 500 тонн в год. Метод PVD использует технологию плазменного испарения и конденсации. Представительное оборудование, такое как устройство для физического метода паровой фазы плазменного испарения и конденсации, разработанное Boqian New Materials при нормальном давлении, может производить сферический порошок кремния с размером частиц менее 100 нм, предлагая преимущества высокой чистоты и однородного размера частиц.
Композитное и дисперсионное оборудование для отрицательных электродов на основе кремния
Композитное и дисперсионное оборудование играет решающую роль в работе отрицательных электродов на основе кремния. Оборудование включает высокоскоростные смесители, песчаные мельницы и ультразвуковые дисперсионные системы.
Для процесса измельчения в песке кремний-углеродных отрицательных электродов обычно используется оборудование - горизонтальная песчаная мельница с измельчающими телами из оксида циркония или карбида вольфрама (смешанные 3 мм и 5 мм). Интенсивность и время измельчения должны быть точными в соответствии с характеристиками материала. Композитное оборудование, разработанное Shanghai Shanshan Technology, инновационно сочетает ультразвуковую дисперсию с процессом измельчения в песке. Во-первых, предварительная ультразвуковая обработка может разрушить агломерацию частиц с регулируемой мощностью и временем). Затем измельчение в песке и очистка продолжат обработку и значительно улучшат эффект дисперсии.
Оборудование для грануляции и сушки
Оборудование для грануляции и сушки используется для преобразования порошка нанокремния или оксида кремния во вторичные частицы, пригодные для последующей обработки. Наиболее часто используемым оборудованием для грануляции является башня распылительной сушки. После смешивания кремнийсодержащей суспензии со связующим веществом с помощью распылителя образуются мельчайшие капли. Они быстро высыхают под воздействием горячего воздуха. Система вторичной грануляции, разработанная Китайским научно-исследовательским институтом энергосбережения, использует специально разработанный распылитель и систему циркуляции горячего воздуха для получения однородных частиц в диапазоне от 30 до 50 мкм, что значительно улучшает текучесть сверхтонких порошков. Для систем на основе растворителей также можно использовать вакуумные сушилки или дисковые сушилки, но необходимо уделять внимание вопросам взрывозащиты и восстановления растворителя. Новая универсальная машина для грануляции и сушки в псевдоожиженном слое объединяет технологию псевдоожижения и распыления, обеспечивая более высокую эффективность грануляции и лучшую прочность частиц. Она постепенно внедряется в производство высококачественных отрицательных электродов на основе кремния.
Оборудование для нанесения покрытий и термообработки
Оборудование для нанесения покрытий и термообработки играет решающую роль в улучшении электрохимических характеристик отрицательных электродов на основе кремния. К ним относятся системы CVD с псевдоожиженным слоем, вращающиеся печи и трубчатые печи. Реакторы с псевдоожиженным слоем особенно эффективны для нанесения углеродного покрытия на отрицательные электроды из кремния и кислорода. Операторы добиваются равномерного осаждения слоя углерода за счет точного управления скоростью псевдоожижающего газа (например, начальной настройкой 8 л/с) и температурным полем (600–1000 °C). Усовершенствованные системы с псевдоожиженным слоем оснащены предварительными нагревателями (с температурой предварительного нагрева ≥ 400 °C) и теплообменниками, которые снижают потребление энергии и минимизируют колебания температуры.
Для обработки карбонизацией кремниево-углеродных отрицательных электродов производители обычно используют защищенные от атмосферного воздействия вращающиеся печи или печи с толкающими плитами. Обычно они работают в диапазоне температур 1000–1500 °C, при этом время обработки составляет 2–5 часов. Команда Центрального южного университета разработала технологию нанокристаллического кремния с улучшенными дефектами, используя специально разработанную печь для термообработки. Они точно контролируют скорость нагрева и состав атмосферы для введения дефектных структур, таких как дефекты упаковки и нанодвойники, в отходы кристаллического кремния, что значительно улучшает стабильность цикла кремниевых отрицательных электродов.
Оборудование для постобработки
Оборудование для последующей обработки включает специализированное оборудование для дробления, сортировки, обработки поверхности и упаковки.
Струйная мельница является основным оборудованием для сверхтонкого измельчения. Она позволяет избежать загрязнения металлом за счет конструкции соударения и измельчает материал до требуемого размера частиц (обычно D50 < 10 мкм). Система классификации в основном использует воздушные классификаторы для точной классификации частиц на основе их аэродинамического диаметра. Оборудование для обработки поверхности включает модифицированные смесители и машины для нанесения покрытий, которые используются для нанесения функциональных покрытий на поверхность материалов на основе кремния. Размагничиватели используются для удаления металлических примесей, которые могут быть внесены во время обработки сырья и производственного процесса, как правило, с использованием многоступенчатой конструкции высокоградиентной магнитной сепарации. Упаковочное оборудование должно работать в сухой атмосфере или вакуумной среде, чтобы предотвратить поглощение влаги и окисление материалов на основе кремния.
Автоматизированная система управления
Автоматизированная система управления является нервным центром современной линии по производству отрицательных электродов на основе кремния, отвечая за координированный контроль и сбор данных каждого процесса.
Типичная система управления сбором данных включает модули управления температурой и потоком, которые отслеживают ключевые параметры, такие как температура реакции сублимационной печи, температура осаждения зоны осаждения, температура реакции псевдоожиженного слоя и температура предварительного нагревателя в режиме реального времени. Система также собирает и анализирует производственные данные, такие как выход сублимационной печи, количество подачи псевдоожиженного слоя, расход источника газа и количество выхода, для оптимизации процесса и обеспечения прослеживаемости качества. Передовые заводы также используют MES (Manufacturing Execution System) и промышленные интернет-технологии для обеспечения цифрового и интеллектуального управления всем производственным процессом.
Таблица: Основное оборудование и технические параметры для производства отрицательных электродов на основе кремния
| Тип оборудования | Основная функция | Основные технические параметры | Представительные производители/технологии |
| Система сублимационной печи | Синтез и осаждение SiOx | Температура 1200-1800°C, Давление 0,01-1000Па | Научно-исследовательский институт инженерных технологий CECEP |
| Оборудование для химического осаждения из газовой фазы нано-кремния | Производство нано-кремниевого порошка | Разложение силана, размер частиц 20-100 нм | Zhongning Silicon (дочерняя компания Duofluoride) |
| Оборудование для PVD нано-кремния | Производство высокочистого нанокремния | Плазменное испарение-конденсация, Размер частиц <100 нм | Новые материалы Boqian |
| Система дисперсии песчаной мельницы | Композит Si/C и его очистка | Мелющие тела 3/5 мм, время обработки 1-3 часа | Шанхайский технологический институт Шаньшань |
| Башня грануляции распылением | Вторичная подготовка частиц | Размер частиц 30-50 мкм | Различные специализированные производители |
| Система химического осаждения из газовой фазы в псевдоожиженном слое | Обработка углеродным покрытием | Температура 600-1000°C, Скорость газа 8л/с | Собственная технология |
| Печь для спекания в атмосфере | Карбонизация Термическая Обработка | Температура 1000-1500°C, Продолжительность 2-5 часов | Различные специализированные производители |
| Система струйного измельчения и классификации | Сверхтонкое измельчение и классификация | D50<10мкм, многоступенчатая классификация | Отечественные/международные специализированные производители |
С быстрым развитием отрасли производства отрицательных электродов на основе кремния производственное оборудование развивается в сторону более масштабных, непрерывных и более интеллектуальных конструкций. Например, конструкции с непрерывной подачей могут заменить традиционные печи сублимации партии. Несколько псевдоожиженных слоев в ряду могут обеспечить последовательное покрытие различных функциональных слоев. Оптимизация параметров процесса и прогнозирование качества могут применять технологию ИИ. Эти технологические достижения еще больше повысят эффективность производства, однородность продукции и конкурентоспособность затрат отрицательных электродов на основе кремния, ускоряя их широкомасштабное применение в высокопроизводительных аккумуляторах.
О компании Epic Powder Machinery
Эпическая Порошковая Машина, базирующаяся в Циндао, Китай, специализируется на системах сверхтонкого измельчения и классификации. Мы проектируем и производим современное оборудование, включая струйные мельницы и воздушные классификаторы, обслуживая такие отрасли, как литий-ионные аккумуляторы. Сосредоточившись на качестве и инновациях, мы помогаем вам оптимизировать эффективность и постоянство производства.