Vật liệu cực dương silicon khó phân loại vì lý do khác với than chì. Than chì khó phân loại vì các hạt của nó có dạng tấm phẳng. Silicon khó phân loại hơn vì những gì xảy ra khi hạt nằm bên trong pin, và vì vật liệu thực tế sử dụng hiếm khi là silicon nguyên chất. Trong sản xuất, nó hầu như luôn là hỗn hợp silicon-carbon, oxit silicon, hoặc hỗn hợp nano silicon trộn với than chì.
Vấn đề cốt lõi là sự giãn nở thể tích. Silicon nguyên chất nở ra khoảng 300 × 1 × 3T khi hấp thụ lithium; than chì nở ra khoảng 10 × 1 × 3T. Sự giãn nở đó làm nứt các hạt và xé rách điện cực, dẫn đến dung lượng giảm trong vòng vài trăm chu kỳ. Giải pháp tiêu chuẩn là thu nhỏ silicon xuống kích thước nano và gắn nó vào chất nền carbon hoặc than chì với sự phân bố kích thước hạt chặt chẽ. Nếu D90 quá cao, các hạt quá khổ sẽ giãn nở và nứt cục bộ. Nếu D90 quá thấp, phần hạt mịn sẽ làm tăng diện tích bề mặt, đốt cháy lithium trong chu kỳ đầu tiên, làm giảm hiệu suất và mật độ nén.
Bài viết này đề cập đến lý do tại sao cực dương silicon khó phân loại, các mục tiêu PSD cho từng loại vật liệu và cách thiết lập bộ phân loại khí để giữ được vết cắt trên cùng sắc nét mà không làm hỏng silicon ở kích thước nano.
Vì sao cực dương silicon khó phân loại hơn các vật liệu cực dương thông thường?
Vấn đề mở rộng 300%
Đối với hầu hết các loại bột, kích thước hạt liên quan đến độ đồng nhất. Còn đối với cực dương silicon, nó lại liên quan đến hiệu suất. Một hạt quá lớn sẽ phồng lên và làm nứt điện cực xung quanh, và vết nứt đó trở thành điểm khởi đầu cho những hư hỏng lớn hơn. Đối với nhà sản xuất pin, một cực dương D90 không đạt tiêu chuẩn sẽ dẫn đến hỏng hóc sớm và tuổi thọ chu kỳ ngắn.
Vấn đề về kích thước hạt nhỏ cũng quan trọng không kém. Silicon ở kích thước nano có diện tích bề mặt rất lớn, và toàn bộ diện tích này phản ứng với chất điện phân trong chu kỳ đầu tiên để tạo thành lớp SEI, đốt cháy lithium vĩnh viễn. Đó là lý do tại sao cực dương silicon mất hiệu suất trong chu kỳ đầu tiên. Nếu để quá nhiều hạt nhỏ lọt qua, hiệu suất sẽ giảm. Nếu để hạt quá lớn lọt qua, tuổi thọ chu kỳ sẽ giảm. Dây chuyền sản xuất silicon phải đáp ứng được cả hai thái cực cùng một lúc.
Ba loại vật liệu, ba vấn đề.
Nano-silicon nguyên chấtCác hạt nano, với kích thước sơ cấp khoảng 100 đến 200 nm, được sử dụng như một chất phụ gia nhỏ, thường là 2 đến 10 phần trăm trộn vào than chì. Thách thức chính là sự kết tụ: các hạt nano vón cục thành những khối mềm mà luồng không khí nhận diện như những hạt lớn riêng lẻ.
Silic oxitSiOx, hay SiOx, là một loại hạt có kích thước micromet với đường kính D50 khoảng 5 đến 10 micromet. Nó giãn nở ít, khoảng 150 đến 200 phần trăm, và có dung lượng vừa phải. Tính ổn định của nó phụ thuộc vào một phạm vi kích thước hẹp, vì hàm lượng oxy thay đổi theo kích thước hạt.
Vật liệu composite silicon-carbon Silicon nano được nhúng trong ma trận carbon hoặc than chì, và đây là cực dương thương mại phổ biến. Nó nhắm đến kích thước D50 từ 8 đến 15 micron và cho dung lượng từ 400 đến 650 mAh/g với tuổi thọ chu kỳ chấp nhận được. Bộ phân loại phải tạo ra vết cắt trên sắc nét và phân tán silicon đồng đều.
Sự kết tụ và xử lý ở quy mô nano
Silicon ở kích thước nano có độ kết dính rất cao. Một khối kết tụ mềm được luồng khí nhận diện như một hạt lớn duy nhất và bị đẩy vào dòng hạt thô, hoặc nó tồn tại như một cục quá khổ hoạt động như một hạt thô trong điện cực. Bộ phân loại phải phá vỡ những cục này và loại bỏ ngay lập tức những hạt quá khổ thực sự, với đủ năng lượng để phân tán nhưng không quá nhiều đến mức làm vỡ các hạt sơ cấp. Một bộ phân loại khoáng chất đa năng sẽ hoạt động kém hiệu quả trong trường hợp này.
Thông số kỹ thuật PSD theo loại cực dương
Loại cực dương D50 mục tiêu D90 mục tiêu Yêu cầu chính
Chất phụ gia nano-silicon kích thước 0,1 đến 0,2 micron, dưới 0,5 micron. Bảo toàn hạt sơ cấp.
Oxit silic (SiOx) 5 đến 10 micromet 15 đến 20 Khoảng hẹp
Vật liệu composite silicon-carbon, độ dày 8 đến 15 micron, đường kính 25 đến 35 mm, đầu cắt sắc bén.
Hỗn hợp silicon-graphit, kích thước hạt từ 6 đến 12 micron, từ 18 đến 25, phù hợp với kích thước graphite.
Thông số kỹ thuật có thể khác nhau tùy thuộc vào nhà sản xuất pin và thiết kế điện cực. Vui lòng kiểm tra biên bản kiểm tra hàng hóa của người mua trước khi thiết lập thông số.
Cũng như với than chì, D90 là giới hạn cứng hơn. D50 được xác định bởi tốc độ quay của rôto và thay đổi một cách có thể dự đoán được. D90 là phần đuôi, các hạt nằm ngay trên điểm cắt, có thể lọt qua do nhiễu loạn hoặc biến đổi lượng cấp liệu. Đối với silicon, phần đuôi quá lớn có nghĩa là các hạt sẽ giãn nở và làm nứt điện cực.
Cấu hình bộ phân loại cho bột anot silic
Đặt điểm cắt ở phần trên cùng, không phải ở đường giữa.
Hầu hết các máy phân loại được hiệu chuẩn ở mức D50 vì dễ đo. Đối với cực dương silicon, trước tiên hãy hiệu chuẩn ở mức D90. Đặt tốc độ quay của rôto để giữ ở giới hạn D90, sau đó đo D50 thu được và kiểm tra các hạt mịn. Một bước khởi đầu thực tế là cho rôto chạy nhanh hơn từ 10 đến 20% so với tốc độ mà phép tính khoáng chất hình cầu gợi ý cho mục tiêu D90 của bạn, sau đó đo PSD thực tế bằng phương pháp nhiễu xạ laser và giảm tốc độ cho đến khi D90 đạt tiêu chuẩn.
Giảm lưu lượng gió xuống để bảo vệ các hạt nano.
Lưu lượng gió cao hơn làm tăng lực cản và kéo nhiều vật liệu hơn vào dòng hạt mịn. Trên silicon, nó kéo các hạt mịn có diện tích bề mặt lớn qua điểm cắt và làm phồng phần hạt mịn, làm giảm hiệu quả. Nó cũng tác động mạnh hơn lên các vật liệu composite liên kết lỏng lẻo, có thể làm nứt vật liệu nền carbon. Giữ lưu lượng gió ở mức tối thiểu cần thiết để vận chuyển ổn định, khoảng 10 đến 20% thấp hơn so với lượng mà khoáng chất sử dụng.
Giữ cho thức ăn ổn định và được phân tán trước.
Khi lượng nguyên liệu đầu vào tăng đột biến, nồng độ hạt trong vùng phân loại sẽ tăng lên và điểm phân loại sẽ dịch chuyển về phía kích thước hạt lớn hơn. Hãy vận hành hệ thống cấp liệu ở mức 60 đến 75% công suất định mức và duy trì ở mức sai số cộng hoặc trừ 5% bằng bộ điều khiển lưu lượng khối. Đối với nguyên liệu nano-silicon hoặc nguyên liệu dễ kết tụ, hãy thêm giai đoạn phân tán ngay trước bộ phân loại.
Không chứa sắt là điều bắt buộc
Chỉ cần vài phần triệu sắt cũng có thể gây đoản mạch trong buồng điện phân. Máy phân loại thép carbon thông thường sẽ loại bỏ sắt do mài mòn rôto. Dây chuyền điện phân anode silicon cần rôto và lớp lót được phủ gốm, và đường dẫn sản phẩm phải đáp ứng tiêu chuẩn sắt của nhà sản xuất buồng điện phân. Đối với các loại quặng mịn hoặc dễ cháy nổ, vòng tuần hoàn khí trơ cũng giúp ngăn ngừa quá trình oxy hóa và cháy nổ do bụi.
Điểm xuất phát
Tốc độ quay rôto: Cao hơn từ 10 đến 20 phần trăm so với tính toán vật liệu hình cầu cho cùng loại D90, được vận hành thử nghiệm dựa trên D90 trước tiên.
Lưu lượng khí: Thấp hơn 10 đến 20 phần trăm so với dung tích khoáng chất, mức tối thiểu để vận chuyển ổn định.
Lượng nguyên liệu đầu vào: 60 đến 75% công suất, sai số cộng hoặc trừ 5%, được phân tán trước nếu cần tạo cụm.
Chất gây ô nhiễm: rôto và lớp lót được phủ gốm, khí trơ cho các loại hạt mịn hoặc dễ cháy nổ.
Kiểm tra xác nhận: lấy mẫu mỗi 30 phút trong 4 giờ đầu tiên của một lớp học mới.
Các trường hợp sản xuất
Trường hợp 1: Vật liệu composite Silicon-Carbon D90 được cắt từ 43 xuống 29 micron
Một nhà sản xuất đã cung cấp cho nhà sản xuất thiết bị phân loại vật liệu có giới hạn D90 là 35 micron. Khoảng một trong năm lô hàng không đạt kiểm tra chất lượng đầu vào ở mức 41 đến 45 micron. Thiết bị phân loại đã được vận hành với cài đặt khoáng chất và chỉ được kiểm tra so với D50, mức này được coi là đạt yêu cầu ở 11,2 micron. Phần vật liệu quá cỡ đã lọt qua vì phần đuôi D90 không bao giờ đạt mục tiêu. Nhà sản xuất thiết bị phân loại đã xác định nguyên nhân suy giảm công suất ban đầu là do hiện tượng nứt vỡ xung quanh các hạt quá cỡ đó.
Trường hợp 2: Loại SiOx thu hẹp khoảng cách và giảm tổn thất chu kỳ đầu tiên
Một nhà sản xuất SiOx đã sản xuất loại vật liệu có kích thước hạt nhắm đến D50 là 7 và D90 là 18 micron, nhưng kích thước hạt D10 lại giảm xuống dưới 1 micron, làm tăng diện tích bề mặt và kéo hiệu suất chu kỳ đầu tiên xuống dưới mức tối thiểu mà người mua yêu cầu. Nguyên nhân là do luồng khí quá mức kéo các hạt oxit mịn qua điểm cắt, cộng thêm việc rôto thép thải ra lượng sắt vết.
Lưu lượng khí được giảm 18%, tốc độ quay rôto được điều chỉnh để giữ cho phần cắt trên cùng ổn định, và rôto thép cùng lớp lót được thay thế bằng các bộ phận phủ gốm, kèm theo vòng tuần hoàn khí trơ để loại bỏ oxit mịn. Khoảng cắt giảm 28%, D10 phục hồi xuống còn 1,6 micron, hiệu suất chu kỳ đầu tiên được cải thiện 2,1 điểm phần trăm, và hàm lượng sắt vết giảm xuống dưới ngưỡng 5 ppm.
Phân loại cực dương silicon hay vật liệu pin khác?
EPIC Powder Machinery cấu hình các máy phân loại khí cho công việc chế biến vật liệu pin, bao gồm cắt đỉnh sắc nét, xử lý hạt nano và vật liệu composite, kiểm soát ô nhiễm và bảo vệ bằng khí trơ. Chúng tôi thực hiện các thử nghiệm phân loại miễn phí với nguyên liệu silicon, SiOx hoặc silicon-carbon của bạn và trả lại dữ liệu PSD đầy đủ trước khi bạn quyết định sử dụng. Hãy gửi cho chúng tôi dữ liệu PSD nguyên liệu, D50 và D90 mục tiêu, và thông lượng.
Yêu cầu dùng thử phân loại miễn phí: www.powder-air-classifier.com/contact
Khám phá dòng sản phẩm máy phân loại không khí của chúng tôi: www.powder-air-classifier.com
Những câu hỏi thường gặp
Tôi nên dùng loại D50/D90 nào cho cực dương silicon-carbon?
Đối với vật liệu composite thông thường, D50 thường nằm trong khoảng 8 đến 15 micron, D90 từ 25 đến 35 và D99 từ 35 đến 45. Khoảng giá trị chính xác phụ thuộc vào định dạng tế bào và hàm lượng silicon. Hàm lượng silicon cao hơn sẽ làm giảm độ phân tán ở phần trên vì các hạt quá lớn sẽ giãn nở và nứt. Trước tiên, hãy thiết lập giá trị D90 dựa trên kết quả kiểm tra của người mua, sau đó điều chỉnh giá trị trung bình.
Tại sao các hạt nano silicon lại bị vón cục trong quá trình phân loại và làm thế nào để ngăn chặn điều đó?
Silicon nano có độ kết dính rất cao. Các lực không đáng kể ở quy mô micromet lại chiếm ưu thế ở quy mô nanomet, do đó các hạt sơ cấp kết tụ thành các khối mềm mà luồng khí nhận diện là các hạt thô. Khắc phục điều này bằng cách sử dụng giai đoạn phân tán trước bộ phân loại, giảm lưu lượng khí và kiểm soát độ ẩm trong không khí xử lý. Nối đất và, đối với các loại hạt mịn, sử dụng vòng tuần hoàn khí trơ cũng giúp ích.
Liệu một bộ phân loại duy nhất có thể xử lý được silicon, SiOx và hợp chất silicon-carbon?
Không thể sử dụng một bộ thông số duy nhất. Ba loại vật liệu này được phân loại theo kích thước khác nhau, có cách hư hỏng khác nhau và yêu cầu về chất gây ô nhiễm và khí khác nhau. Một nền tảng có thể chuyển đổi giữa chúng, nhưng mỗi loại vật liệu cần có công thức riêng cho tốc độ quay rôto, lưu lượng khí, tốc độ cấp liệu, độ phân tán và cài đặt khí.
Bột Epic
Cảm ơn bạn đã đọc. Tôi hy vọng bài viết của tôi có ích. Vui lòng để lại bình luận bên dưới. Bạn cũng có thể liên hệ với đại diện khách hàng trực tuyến của EPIC Powder Zelda để biết thêm bất kỳ thông tin nào khác.”
— Jason Wang, Kỹ sư
