Trong quá trình sản xuất anode gốc silicon, việc lựa chọn và cấu hình thiết bị chuyên dụng ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất. So với sản xuất anode graphite truyền thống, thiết bị sản xuất anode gốc silicon có yêu cầu kỹ thuật cao hơn và độ chính xác kiểm soát chặt chẽ hơn. Tùy thuộc vào đặc điểm quy trình của anode silicon-oxy và anode silicon-cacbon, thiết bị cốt lõi của chúng khác nhau. Tuy nhiên, chúng cũng có thể chia sẻ một số thiết bị chung.
Thiết bị chính và đặc điểm kỹ thuật trong sản xuất anot gốc silicon
Hệ thống lò thăng hoa
Hệ thống lò thăng hoa là thiết bị cốt lõi để chuẩn bị tiền chất anot silic-oxy, chủ yếu được sử dụng để tổng hợp oxit silic (SiOx). Các lò thăng hoa hiện đại thường áp dụng thiết kế thẳng đứng và có hai khu vực chức năng. Phần dưới là khu vực gia nhiệt, sử dụng phương pháp gia nhiệt cảm ứng tần số trung bình hoặc gia nhiệt thanh silic-molypden. Nhiệt độ của nó có thể đạt tới 1200 – 1800°C. Phần trên là khu vực lắng đọng, được trang bị tấm thu gom làm mát bằng nước. Nhiệt độ ngưng tụ nằm trong khoảng 400 – 800°C thông qua hệ thống trao đổi nhiệt.
Lò thăng hoa hoạt động trong môi trường chân không hoặc áp suất thấp (0,01 – 1000Pa) và yêu cầu nhóm bơm chân không hiệu suất cao và hệ thống kiểm soát áp suất. Lò thăng hoa tiên tiến cũng tích hợp hệ thống giám sát trực tuyến có thể theo dõi sự phân bố trường nhiệt độ và tốc độ thăng hoa vật liệu theo thời gian thực để đảm bảo tính đồng nhất và ổn định của thành phần SiOx. Lò thăng hoa do Viện nghiên cứu công nghệ kỹ thuật tiết kiệm năng lượng Trung Quốc phát triển sử dụng sáng tạo silic tinh thể thải quang điện và cát thạch anh làm nguyên liệu thô, giảm chi phí và thực hiện tái chế tài nguyên.
Thiết bị chuẩn bị nanosilicon
Thiết bị chuẩn bị nanosilicon là thiết bị thiết yếu để sản xuất anot silicon-cacbon. Tùy thuộc vào lộ trình kỹ thuật, nó chủ yếu được chia thành hai loại: hệ thống CVD (lắng đọng hơi hóa học) và hệ thống PVD (lắng đọng hơi vật lý). Thiết bị sản xuất nanosilicon CVD sử dụng silane (SiH4) làm nguyên liệu phản ứng để chuẩn bị bột nanosilicon bằng cách phân hủy nhiệt. Thiết bị tiêu biểu bao gồm hệ thống lọc nguồn khí, buồng phản ứng, hệ thống gia nhiệt, hệ thống xử lý khí đuôi và thiết bị thu gom. Buồng phản ứng thường được thiết kế với lớp lưu hóa hoặc lớp cố định. Độ chính xác kiểm soát nhiệt độ phải nằm trong phạm vi ± 5 °C.
Dây chuyền sản xuất CVD nhiệt của Zhongning Silicon Industry, một công ty trong nước, có thể sản xuất bột silicon có độ tinh khiết cao trong phạm vi 20 – 100nm, với công suất sản xuất 500 tấn mỗi năm. Phương pháp PVD sử dụng công nghệ bốc hơi và ngưng tụ plasma. Thiết bị tiêu biểu, chẳng hạn như thiết bị phương pháp pha hơi vật lý bốc hơi và ngưng tụ plasma do Boqian New Materials phát triển dưới áp suất thường, có thể sản xuất bột silicon hình cầu có kích thước hạt dưới 100nm, mang lại ưu điểm là độ tinh khiết cao và kích thước hạt đồng đều.
Thiết bị tổng hợp và phân tán cho điện cực âm gốc silicon
Thiết bị tổng hợp và phân tán đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất của điện cực âm gốc silicon. Thiết bị bao gồm máy trộn tốc độ cao, máy nghiền cát và hệ thống phân tán siêu âm.
Đối với quá trình nghiền cát của điện cực âm silicon-cacbon, thiết bị thường được sử dụng là máy nghiền cát nằm ngang với vật liệu nghiền zirconium oxide hoặc tungsten carbide (hỗn hợp 3mm và 5mm). Cường độ nghiền và thời gian phải chính xác theo đặc tính vật liệu. Thiết bị tổng hợp do Shanghai Shanshan Technology phát triển kết hợp phân tán siêu âm với quy trình nghiền cát một cách sáng tạo. Đầu tiên, xử lý sơ bộ bằng siêu âm có thể phá vỡ sự kết tụ của các hạt với công suất và thời gian có thể điều chỉnh). Sau đó, nghiền và tinh chế cát sẽ tiếp tục xử lý và cải thiện đáng kể hiệu ứng phân tán.
Thiết bị tạo hạt và sấy khô
Thiết bị tạo hạt và sấy được sử dụng để chuyển đổi bột nano-silicon hoặc silicon oxide thành các hạt thứ cấp phù hợp cho quá trình xử lý tiếp theo. Thiết bị tạo hạt được sử dụng phổ biến nhất là tháp sấy phun. Sau khi trộn hỗn hợp chứa silicon với chất kết dính, các giọt nhỏ được hình thành thông qua một bình phun. Nó nhanh chóng khô dưới không khí nóng. Hệ thống tạo hạt thứ cấp do Viện nghiên cứu công nghệ và kỹ thuật tiết kiệm năng lượng Trung Quốc phát triển sử dụng bình phun được thiết kế đặc biệt và hệ thống tuần hoàn không khí nóng để tạo ra các hạt đồng nhất trong phạm vi 30 đến 50μm, cải thiện đáng kể tính lưu động của bột siêu mịn. Đối với các hệ thống dựa trên dung môi, máy sấy chân không hoặc máy sấy đĩa cũng có thể được sử dụng, nhưng phải chú ý đến vấn đề chống cháy nổ và thu hồi dung môi. Máy tạo hạt và sấy tầng sôi mới kết hợp công nghệ lưu hóa và phun, mang lại hiệu quả tạo hạt cao hơn và độ bền hạt tốt hơn. Nó đang dần được áp dụng trong sản xuất điện cực âm dựa trên silicon cao cấp.
Thiết bị phủ và xử lý nhiệt
Thiết bị phủ và xử lý nhiệt đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất điện hóa của điện cực âm gốc silicon. Chúng bao gồm hệ thống CVD tầng sôi, lò quay và lò ống. Lò phản ứng tầng sôi đặc biệt hiệu quả đối với lớp phủ carbon điện cực âm silicon-oxy. Người vận hành đạt được sự lắng đọng lớp carbon đồng đều bằng cách kiểm soát chính xác vận tốc khí lưu hóa (chẳng hạn như cài đặt ban đầu là 8L/giây) và trường nhiệt độ (600 – 1000°C). Hệ thống tầng sôi tiên tiến có bộ gia nhiệt trước (với nhiệt độ gia nhiệt trước ≥ 400°C) và bộ trao đổi nhiệt, giúp giảm mức tiêu thụ năng lượng và giảm thiểu biến động nhiệt độ.
Đối với quá trình cacbon hóa điện cực âm silicon-carbon, các nhà sản xuất thường sử dụng lò quay được bảo vệ bằng khí quyển hoặc lò đẩy tấm. Chúng thường hoạt động trong phạm vi nhiệt độ từ 1000 – 1500°C, với thời gian xử lý từ 2 – 5 giờ. Nhóm nghiên cứu của Đại học Trung Nam đã phát triển công nghệ silicon nano tinh thể tăng cường khuyết tật, sử dụng lò xử lý nhiệt được thiết kế đặc biệt. Họ kiểm soát chính xác tốc độ gia nhiệt và thành phần khí quyển để đưa các cấu trúc khuyết tật như lỗi xếp chồng và nanotwin vào chất thải silicon tinh thể, cải thiện đáng kể độ ổn định chu kỳ của điện cực âm silicon.
Thiết bị hậu xử lý
Thiết bị hậu xử lý bao gồm các thiết bị chuyên dụng để nghiền, phân loại, xử lý bề mặt và đóng gói.
Máy nghiền phản lực là thiết bị chính dùng để nghiền siêu mịn. Thiết bị này tránh nhiễm kim loại thông qua thiết kế va chạm và nghiền vật liệu thành kích thước hạt yêu cầu (thường là D50 < 10μm). Hệ thống phân loại chủ yếu sử dụng máy phân loại không khí để phân loại chính xác các hạt dựa trên đường kính khí động học của chúng. Thiết bị xử lý bề mặt bao gồm máy trộn và máy phủ được cải tiến, được sử dụng để phủ lớp phủ chức năng lên bề mặt vật liệu gốc silicon. Máy khử từ được sử dụng để loại bỏ tạp chất kim loại có thể xâm nhập trong quá trình xử lý nguyên liệu thô và quá trình sản xuất, thường sử dụng thiết kế tách từ có độ dốc cao nhiều giai đoạn. Thiết bị đóng gói phải hoạt động trong môi trường chân không hoặc khí quyển khô để ngăn vật liệu gốc silicon hấp thụ độ ẩm và oxy hóa.
Hệ thống điều khiển tự động
Hệ thống điều khiển tự động đóng vai trò là trung tâm điều khiển của dây chuyền sản xuất điện cực âm silicon hiện đại, chịu trách nhiệm điều khiển phối hợp và thu thập dữ liệu của từng quy trình.
Một hệ thống kiểm soát thu thập thông thường bao gồm các mô-đun kiểm soát nhiệt độ và lưu lượng theo dõi các thông số chính, chẳng hạn như nhiệt độ phản ứng của lò thăng hoa, nhiệt độ lắng đọng của vùng lắng đọng, nhiệt độ phản ứng của lớp sôi và nhiệt độ của bộ gia nhiệt trước theo thời gian thực. Hệ thống cũng thu thập và phân tích dữ liệu sản xuất, chẳng hạn như đầu ra của lò thăng hoa, lượng cấp liệu của lớp sôi, lưu lượng nguồn khí và lượng đầu ra, để tối ưu hóa quy trình và đảm bảo khả năng truy xuất nguồn gốc chất lượng. Các nhà máy tiên tiến cũng sử dụng MES (Hệ thống thực hiện sản xuất) và công nghệ Internet công nghiệp để cho phép quản lý kỹ thuật số và thông minh toàn bộ quy trình sản xuất.
Bảng: Thiết bị chính và thông số kỹ thuật để sản xuất điện cực âm gốc silicon
| Loại thiết bị | Chức năng chính | Thông số kỹ thuật chính | Nhà sản xuất/Công nghệ tiêu biểu |
| Hệ thống lò thăng hoa | Tổng hợp và lắng đọng SiOx | Nhiệt độ 1200-1800°C, Áp suất 0,01-1000Pa | Viện nghiên cứu công nghệ kỹ thuật CECEP |
| Thiết bị CVD Nano-Si | Sản xuất bột Nano Silicon | Phân hủy silan, Kích thước hạt 20-100nm | Zhongning Silicon (công ty con Duofluoride) |
| Thiết bị PVD Nano-Si | Sản xuất Nano Silicon có độ tinh khiết cao | Sự bay hơi-ngưng tụ plasma, Kích thước hạt <100nm | Vật liệu mới Boqian |
| Hệ thống phân tán máy nghiền cát | Hợp chất Si/C & Tinh chế | Vật liệu nghiền 3/5mm, Thời gian xử lý 1-3h | Công nghệ Thượng Hải Shanshan |
| Tháp phun hạt | Chuẩn bị hạt thứ cấp | Kích thước hạt 30-50μm | Nhiều nhà sản xuất chuyên biệt |
| Hệ thống CVD tầng sôi | Xử lý phủ Carbon | Nhiệt độ 600-1000°C, Vận tốc khí 8L/s | Công nghệ độc quyền |
| Lò thiêu kết khí quyển | Xử lý nhiệt cacbon hóa | Nhiệt độ 1000-1500°C, Thời gian 2-5h | Nhiều nhà sản xuất chuyên biệt |
| Hệ thống nghiền và phân loại bằng tia | Nghiền siêu mịn & Phân loại | D50<10μm, Phân loại nhiều giai đoạn | Nhà sản xuất chuyên ngành trong nước/quốc tế |
Với sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp điện cực âm gốc silicon, thiết bị sản xuất đang tiến hóa theo hướng thiết kế quy mô lớn hơn, liên tục và thông minh hơn. Ví dụ, thiết kế nạp liệu liên tục có thể thay thế lò thăng hoa theo mẻ truyền thống. Nhiều lớp lưu hóa nối tiếp có thể đạt được lớp phủ tuần tự của các lớp chức năng khác nhau. Tối ưu hóa thông số quy trình và dự đoán chất lượng có thể áp dụng công nghệ AI. Những tiến bộ công nghệ này sẽ cải thiện hơn nữa hiệu quả sản xuất, tính nhất quán của sản phẩm và khả năng cạnh tranh về chi phí của điện cực âm gốc silicon, đẩy nhanh ứng dụng quy mô lớn của chúng trong pin điện cao cấp.
Giới thiệu về Epic Powder Machinery
Máy móc bột Epic, có trụ sở tại Thanh Đảo, Trung Quốc, chuyên về hệ thống nghiền và phân loại siêu mịn. Chúng tôi thiết kế và sản xuất các thiết bị tiên tiến, bao gồm máy nghiền phản lực và máy nghiền phân loại khí, phục vụ các ngành công nghiệp như pin lithium-ion. Với trọng tâm là chất lượng và sự đổi mới, chúng tôi giúp bạn tối ưu hóa hiệu quả sản xuất và tính nhất quán.