矽負極材料難以分類的原因與石墨不同。石墨難以分類是因為其顆粒呈扁平狀。而矽難以分類的原因在於，顆粒進入電池內部後會發生一些變化，而且實際使用的材料很少是純矽。在生產過程中，它幾乎總是矽碳複合材料、氧化矽或奈米矽混合物與石墨混合而成。
核心問題在於體積膨脹。純矽吸收鋰時體積膨脹約300%；石墨體積膨脹約10%。這種膨脹會導致顆粒開裂並撕裂電極，容量會在幾百次循環後迅速衰減。標準的解決方法是將矽縮小到奈米級，並將其固定在粒徑分佈均勻的碳或石墨基體中。如果D90值過高，過大的顆粒會膨脹並局部開裂。如果D90值過低，細顆粒會增加表面積，導致鋰在第一次循環中燒蝕，並降低效率和振實密度。
本文介紹了矽陽極難以分類的原因、每種材料類型的 PSD 目標，以及如何設定空氣分級機以保持鋒利的頂部切割而不損壞奈米級矽。
為什麼矽陽極比傳統陽極材料更難分類
300% 擴充問題
對於大多數粉末而言，粒徑大小關乎一致性。而對於矽負極而言，粒徑大小則關乎性能。單一過大的顆粒會膨脹並導致周圍電極開裂，而該裂縫會成為進一步損壞的起點。對於電池製造商來說，D90 值超出規格意味著電池早期失效和循環壽命縮短。
細小顆粒同樣重要。奈米級矽具有巨大的表面積，在首次循環中，所有顆粒都會與電解液反應形成SEI層，永久地燒蝕鋰。這就是矽負極首次循環效率下降的原因。細小顆粒過多會導致效率下降，過大顆粒會導致循環壽命縮短。矽管線必須同時兼顧分佈的兩端。
三種材料，三個問題
純奈米矽這種奈米顆粒的粒徑約為100至200奈米，通常作為少量添加劑，以2%至10%的比例混入石墨中。主要挑戰在於團聚：奈米顆粒會聚集成柔軟的團塊，氣流會將其識別為單個大顆粒。
二氧化矽二氧化矽（SiOx）是一種微米級顆粒，其D50值約為5至10微米。它的膨脹率較低，約150%至200%，容量適中。由於氧含量隨粒徑變化，其穩定性取決於較窄的粒徑範圍。
矽碳複合材料 奈米矽嵌入碳或石墨基體中，是目前主流的商業負極材料。其目標D50粒徑為8至15微米，比容量為400至650毫安時/克，循環壽命也令人滿意。分級器必須能夠實現清晰的頂部切割和均勻的矽分散。
團聚和奈米尺度處理
奈米尺度的矽具有很強的內聚力。柔軟的聚集體會被氣流識別為一個大顆粒並推入粗流區，或者以過大塊的形式留在電極中，表現得像粗顆粒一樣。分級機必須將這些塊狀物破碎，並立即剔除真正的過大顆粒，同時要提供足夠的能量來分散顆粒，但又不能過大而壓碎原始顆粒。通用礦物分級機在這裡的表現會差強人意。
按陽極類型劃分的PSD規格
陽極型 D50 靶材 D90 靶材 關鍵要求
奈米矽添加劑，粒徑小於0.5微米（0.1至0.2微米），維持初級顆粒的完整性
氧化矽 (SiOx) 5 至 10 微米 15 至 20 窄跨度
矽碳複合材料，厚度 8 至 15 微米，頂部鋒利切割，厚度 25 至 35 毫米
矽-石墨混合物，粒徑 6 至 12 微米，18 至 25，與石墨粒徑匹配
規格因電池製造商和電極設計而異。設定參數前，請查看買方的來料檢驗報告。
與石墨類似，D90 是更嚴格的極限值。 D50 由轉子轉速決定，其變化規律可預測。 D90 指的是切削尾部，即切削點上方那些因湍流或進料變化而漏過的顆粒。對矽而言，過大的切割尾部意味著顆粒會膨脹並導致電極開裂。
配置矽負極粉分類器
設定截斷點時，應選擇最高截斷點，而非中位數。
大多數分級機的調試都以D50為基準，因為D50易於測量。對於矽陽極分級機，應先以D90為基準進行調試。設定轉子轉速以維持D90的極限值，然後測量所得的D50值並檢查細粉含量。一個實用的方法是，將轉子轉速設定為比球形礦物計算得出的D90目標值高10%到20%，然後透過雷射衍射法測量實際的粒徑分佈，並逐步降低轉速，直到D90值符合規格要求。
降低氣流以保護奈米顆粒
更高的氣流會增加阻力，並將更多物料帶入細流中。在矽材料上，高氣流會將細小的高比表面積顆粒帶過切割點，並增加細粉的體積，從而降低效率。此外，高氣流也會對結合力較弱的複合材料造成更大的衝擊，導致碳基體開裂。因此，氣流應保持在穩定輸送所需的最低水平，比礦物所需的氣流低約 10% 至 20%。
維持飼料穩定並預先分散
當進料量激增時，該區域內的顆粒濃度會升高，切割點會朝較粗的方向移動。進料量應保持在額定容量的 60% 至 75%，並使用質量流量控制器將其控制在 ±5% 的範圍內。對於奈米矽或易結塊的原料，應在分級機之前增加一個分散級。
無鐵並非可選項
百萬分之幾的鐵含量就足以導致電解槽短路。傳統的碳鋼分級機透過轉子磨損去除鐵。矽陽極生產線需要陶瓷塗層轉子和襯板，且產品路徑應符合電解槽製造商的含鐵規格。對於細粒或易燃品位的鐵，惰性氣體迴路還能防止氧化和粉塵爆炸。
起點
轉子速度：比相同 D90 的球形材料計算值高 10% 至 20%，首先針對 D90 進行偵錯。
氣流：比礦物容量低 10% 到 20%，這是穩定運輸的最低要求。
進料量：產能的 60% 至 75%，誤差在正負 5% 以內，如果發生結塊，則需預先分散。
污染：陶瓷塗層轉子和襯套，惰性氣體用於細粒或易燃品級。
驗證：新等級實施後的前 4 小時內，每隔 30 分鐘抽取一次樣本。
生產案例
案例 1：矽碳複合材料 D90 厚度從 43 微米切割至 29 微米
一家生產商向一家分級機製造商提供D90粒徑限值為35微米的物料。大約五分之一的批次進貨品質控制不合格，粒徑在41至45微米之間。此分級機已在礦物選礦廠投入使用，僅以D50粒徑為標準進行檢測，D50粒徑為11.2微米，結果正常。由於D90粒徑並非目標粒徑，因此超大顆粒的物料得以漏檢。分級機製造商追溯發現，早期產能下降的原因在於這些超大顆粒周圍的裂縫。
案例 2：SiOx 等級縮小跨距並降低首圈損耗
二氧化矽生產商生產的目標粒度等級為D50 7微米和D90 18微米，但D10粒度低於1微米，導致表面積增大，首圈效率低於買家的最低要求。造成這種情況的原因是氣流過大，將細小的氧化物帶過切割點，以及鋼製轉子脫落的微量鐵。
氣流減少了18%，轉子轉速進行了調整以保持頂部切削量，鋼製轉子和襯套被陶瓷塗層部件取代，並採用惰性氣體迴路來去除細小氧化物。跨度縮小了28%，D10恢復至1.6微米，首圈效率提高了2.1個百分點，微量鐵含量降至5 ppm以下。
矽負極材料與其他電池材料的差別是什麼？
EPIC Powder Machinery 為電池材料加工提供空氣分級機配置服務，包括銳利頂部切割、奈米顆粒和複合材料處理、污染控制以及惰性氣體保護。我們可對您的矽、氧化矽或碳矽原料進行免費分級試驗，並在您正式訂購前提供完整的粒徑分佈 (PSD) 資料。請提供您的原料粒徑分佈、目標 D50 和 D90 值以及處理量。
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常見問題解答
矽碳陽極應該使用多大的D50/D90？
對於主流複合材料，D50 通常為 8 至 15 微米，D90 為 25 至 35 微米，D99 為 35 至 45 微米。具體範圍取決於泡孔結構和矽含量。較高的矽含量會收緊頂部切割，因為過大的顆粒會膨脹並開裂。首先根據買家的檢定結果設定 D90，然後再調整中位數。
為什麼奈米矽在分級過程中會發生團聚？如何才能阻止這種情況發生？
奈米矽具有很強的內聚力。在微米尺度上可以忽略的作用力在奈米尺度上卻佔據主導地位，因此初級顆粒會聚集成柔軟的團塊，氣流會將其識別為粗顆粒。可以透過在分級器前設置分散級、降低氣流速度以及控制製程空氣的濕度來解決這個問題。接地以及對於細顆粒，使用惰性氣體迴路也有助於改善這種情況。
一個分類器能否處理矽、氧化矽和矽碳複合材料？
並非只需一套參數即可。這三種物料的分離粒徑範圍不同，失效方式也不同，且對污染物和氣體的要求也不同。雖然一個平台可以切換使用這三種物料，但每種物料都需要單獨的轉子轉速、氣流、進料速率、分散度和氣體設定參數。
史詩粉末
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— 王嘉爾, 工程師
