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陜西罡正窯爐科技有限公司
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硅碳負極材料因結(jié)合了硅（理論容量 4200 mAh/g）的高容量和碳（導電性好、體積穩(wěn)定性佳）的優(yōu)勢，成為下一代鋰電池負極的核心方向。其制備中，回轉(zhuǎn)爐工藝和化學氣相沉積（CVD）工藝是實現(xiàn)碳包覆（緩解硅體積膨脹、提升導電性）的關鍵技術(shù)。以下分別詳細說明：
回轉(zhuǎn)爐是一種傾斜旋轉(zhuǎn)的連續(xù)式加熱設備，通過物料在爐內(nèi)的翻滾、混合與熱解反應實現(xiàn)碳包覆，適合規(guī)模化生產(chǎn)。
以固相 / 液相碳源（如瀝青、酚醛樹脂、蔗糖）與硅粉為原料，在回轉(zhuǎn)爐內(nèi)通過高溫（600-1200℃）熱解，使碳源分解為無定形碳或石墨化碳，均勻包覆在硅顆粒表面，同時實現(xiàn)硅與碳的緊密復合。
原料預處理
硅粉制備：通過機械球磨（降低粒徑至微米 / 納米級）或氣相法（如硅烷熱解）獲得硅粉，需控制粒徑（納米級可減少體積膨脹，但易團聚）；
碳源預處理：將固態(tài)碳源（如瀝青）溶解于溶劑（如四氫呋喃），或直接使用液態(tài)碳源（如蔗糖水溶液），與硅粉按比例混合（硅碳質(zhì)量比通常為 3:7 至 7:3），攪拌至均勻分散（避免團聚）。
進料與反應
將混合物料加入回轉(zhuǎn)爐（傾斜角度 3-5°，轉(zhuǎn)速 5-20 r/min），通入惰性氣體（N?或 Ar）保護（防止硅氧化），升溫至目標溫度（根據(jù)碳源調(diào)整：瀝青需 800-1000℃，蔗糖需 600-800℃）。
低溫階段（200-600℃）：碳源脫水、軟化（如瀝青熔融），逐漸包覆硅顆粒表面；
高溫階段（600-1200℃）：碳源熱解（如瀝青分解為 C、H?、CO?），形成無定形碳層，同時硅與碳可能發(fā)生界面反應（生成 SiC，增強界面結(jié)合）。
后續(xù)處理
反應后物料經(jīng)冷卻、粉碎（打散團聚體）、篩分（控制粒徑分布），最終獲得硅碳復合顆粒。
優(yōu)點：連續(xù)化生產(chǎn)、處理量大（單爐日產(chǎn)能可達噸級）、設備成本較低，適合工業(yè)化放大；
缺點：碳包覆層均勻性較差（物料翻滾可能導致局部碳源聚集）、包覆層致密度低（易引入孔隙），對納米硅粉的團聚控制難度高。
CVD 是通過氣態(tài)前驅(qū)體在硅顆粒表面發(fā)生化學反應，沉積形成均勻碳層的技術(shù)，適合精細化包覆，可顯著提升硅碳材料的循環(huán)穩(wěn)定性。
以氣態(tài)碳源（如甲烷（CH?）、乙炔（C?H?）、丙烷（C?H?））為前驅(qū)體，在高溫（600-1000℃）下，前驅(qū)體在硅顆粒表面裂解為碳自由基（如 - CH?、-C?H?），通過化學吸附與聚合反應形成均勻、致密的碳包覆層（無定形碳或類石墨碳），或直接合成硅碳（SiC）界面層（增強界面結(jié)合）。
硅粉預處理
硅粉經(jīng)酸洗（去除表面氧化層 SiO?）、等離子體活化（增加表面活性位點，促進碳源吸附），避免雜質(zhì)影響沉積效率。
CVD 沉積
將預處理硅粉放入反應爐（常用管式爐或回轉(zhuǎn)式 CVD 爐，后者可通過旋轉(zhuǎn)增強物料與氣體接觸），通入載氣（Ar）與碳源氣體（如 CH?/Ar 混合氣體，碳源濃度 5%-20%），升溫至 600-1000℃：
低溫（600-800℃）：生成無定形碳（柔韌性好，緩沖膨脹能力強）；
高溫（800-1000℃）：生成類石墨碳（導電性高，但脆性大）。
反應壓力通常為常壓或低壓（1-10 kPa，低壓可減少氣體擴散阻力，提升包覆均勻性）。
后處理
冷卻后去除未反應的碳源氣體，通過篩分控制顆粒尺寸，必要時進行二次熱處理（如 800℃退火，消除包覆層內(nèi)應力）。
3. 關鍵工藝參數(shù)
優(yōu)點：碳包覆層均勻性極高（厚度偏差 < 5 nm）、致密度高（減少電解液滲透）、與硅界面結(jié)合強（化學鍵合），能顯著提升循環(huán)穩(wěn)定性（500 次循環(huán)容量保持率可達 80% 以上）；
缺點：設備成本高（需精密控溫、氣體配比系統(tǒng)）、生產(chǎn)效率低（批次式為主，單爐產(chǎn)能通常 < 100 kg / 天），碳源利用率低（未反應氣體需回收處理）。
實際生產(chǎn)中，常將兩種工藝結(jié)合以平衡性能與成本：
第一步：回轉(zhuǎn)爐粗包覆：用低成本碳源（如瀝青）實現(xiàn)初步包覆，控制硅顆粒團聚，提升導電性，適合規(guī)?；A處理；
第二步：CVD 精細包覆：在粗包覆基礎上，通過 CVD 沉積超薄致密碳層（5-10 nm），進一步優(yōu)化界面穩(wěn)定性，滿足高循環(huán)性能需求。
回轉(zhuǎn)爐工藝適合硅碳負極的規(guī)?；?、低成本制備，核心優(yōu)勢是產(chǎn)能大；CVD 工藝適合高性能硅碳材料的精細化制備，核心優(yōu)勢是包覆質(zhì)量高。兩者協(xié)同可實現(xiàn) “成本 - 性能” 平衡，是當前硅碳負極工業(yè)化的主流技術(shù)路線。
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