納米分散研磨技術(shù)助力硅碳負(fù)極產(chǎn)業(yè)化

文/本刊記者 胡靜

走進(jìn)上海琥崧智能科技股份有限公司——近年來(lái)，備受業(yè)界關(guān)注的特斯拉4680電池的推出，在電池能源領(lǐng)域掀起了一波新電極材料產(chǎn)業(yè)化的浪潮。此次與電芯體積一起增長(zhǎng)的，不僅是電池容量、循環(huán)壽命，還有市場(chǎng)對(duì)其中硅碳負(fù)極材料的爆發(fā)性需求。

放眼當(dāng)下，硅基負(fù)極產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有哪些技術(shù)痛點(diǎn)，納米材料分散研磨技術(shù)的突破又將為行業(yè)帶來(lái)哪些重要意義？本文走進(jìn)上海琥崧智能科技股份有限公司，帶您一探究竟。

硅碳負(fù)極材料：應(yīng)用前景不可估量

在汽車電動(dòng)化的發(fā)展進(jìn)程中，續(xù)航里程和成本一直是制約純電動(dòng)汽車快速發(fā)展的重要因素。電池作為突破點(diǎn)，一直是各家車企、電池廠商發(fā)力的重點(diǎn)。型號(hào)從1865到2170，再 到4680（即直徑46 mm、高度80 mm的新一代圓柱電池），作為新一代型號(hào)電池，毋庸置疑，4680將有望廣泛應(yīng)用于車用動(dòng)力電池儲(chǔ)能設(shè)備中，為用戶帶來(lái)更安全、更強(qiáng)勁的電源動(dòng)力。

而4680電池能收獲如此多的關(guān)注，是因?yàn)楹蛡鹘y(tǒng)電池相比，有幾大特殊的革新亮點(diǎn)。首先，電池?zé)o極耳的設(shè)計(jì)解決了電池一直以來(lái)的散熱難題，提升了快充能力和安全性；干電極工藝的采用，能夠簡(jiǎn)化步驟、減少制造成本；負(fù)極材料用硅碳部分替代石墨，正極材料則選擇高鎳去鈷，電池能量密度大幅提升，續(xù)航里程更可增加20%。

為適應(yīng)更高能量密度的電池需求，硅基負(fù)極走入產(chǎn)業(yè)視野。在全球范圍內(nèi)，包括納米硅碳、氧化亞硅基等在內(nèi)的原材料，都迎來(lái)了蓬勃發(fā)展期。隨著技術(shù)瓶頸的克服與終端客戶接受度提升，硅碳將成本下降，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，CNCET（中國(guó)化工經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)展中心）預(yù)計(jì)，2023年我國(guó)硅碳負(fù)極材料產(chǎn)量及消費(fèi)量將達(dá)到6萬(wàn)t，未來(lái)硅碳負(fù)極市場(chǎng)前景巨大。

硅碳負(fù)極量產(chǎn)的技術(shù)痛點(diǎn)

在動(dòng)力及消費(fèi)電池的催化下，隨著硅基負(fù)極產(chǎn)業(yè)化持續(xù)鋪開(kāi)，群雄競(jìng)逐“硅基時(shí)代”。對(duì)于原材料生產(chǎn)企業(yè)來(lái)說(shuō)，想要擁抱時(shí)代機(jī)遇，降低硅碳制備成本、實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的大規(guī)模量產(chǎn)，仍存在許多現(xiàn)實(shí)的困難。

從材料本身特性出發(fā)，在配方研發(fā)階段，硅碳材料有著高投入、高難度和高門檻，以及長(zhǎng)研究周期、長(zhǎng)驗(yàn)證周期和長(zhǎng)應(yīng)用周期的“三高三長(zhǎng)”的特點(diǎn)。其中的高難度體現(xiàn)在，除了高能量密度特性以外，硅材料的膨脹系數(shù)大，多次充放電的膨脹和收縮，容易導(dǎo)致粉末化，進(jìn)而會(huì)降低電池的整體穩(wěn)定性，埋下安全隱患。

為了降低硅的幾何尺寸和體積，以解決材料膨脹問(wèn)題，納米化是非常重要的一環(huán)，對(duì)于廠商的工藝要求很高。而在包覆階段，目前主流采用“碳包硅”類似果殼的材料結(jié)構(gòu)，來(lái)降低粉碎的風(fēng)險(xiǎn)，廠商則需要確定原料添加比例，以提高材料庫(kù)侖效率、電流的均勻性和功率密度，這些都是難點(diǎn)所在。

不僅如此，材料想要從實(shí)驗(yàn)室走向百萬(wàn)噸級(jí)生產(chǎn)，中試的放大過(guò)程至關(guān)重要。正所謂一代材料、一代裝備，材料研究、工藝和設(shè)備是一個(gè)密不可分的整體，需要形成閉環(huán)。然而，國(guó)內(nèi)廠商普遍比較重視配方研發(fā)，開(kāi)發(fā)存在著嚴(yán)重的割裂問(wèn)題，制約了中試放大的效率和可靠性。

除此之外，在產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性層面，國(guó)內(nèi)廠商與國(guó)際領(lǐng)先水平仍存在較大差距。精益生產(chǎn)講究“人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)”全因素平衡的理念，然而部分廠商在表征過(guò)程中，缺乏對(duì)外部條件（包括異物防護(hù)、靜電控制、粉塵水分）的考量，認(rèn)為工藝參數(shù)不變、檢查指標(biāo)在范圍內(nèi)，質(zhì)量就會(huì)穩(wěn)定，這一理念誤區(qū)亟需被糾正。

毋庸置疑，在硅碳負(fù)極材料制備過(guò)程中，納米化是成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。而納米硅制備和包覆工藝本質(zhì)上就是分散研磨的過(guò)程，但是納米粉體及相關(guān)分散、研磨是精細(xì)化工高附加值產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)，全球僅有少數(shù)幾家公司掌握，技術(shù)壁壘很高。

領(lǐng)軍專利技術(shù)，攻破納米材料難題

一直以來(lái)，無(wú)論是對(duì)制造企業(yè)還是用戶而言，納米材料的粒徑分布、形貌一致性都是核心的關(guān)注點(diǎn)。在眾多制備方法中，機(jī)械球磨法憑借粒度小、分布勻和工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)化生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。然而，這一傳統(tǒng)制備方法仍有許多難題亟待解決：

1.在納米化過(guò)程中，粒徑d50＜100 nm是必要的門檻，因此研磨介質(zhì)要＜0.1 mm，篩網(wǎng)間隙要＜0.05 mm（1/2研磨介質(zhì)），當(dāng)納米硅達(dá)不到要求時(shí)，篩網(wǎng)就容易被堵住，影響制備效率和正常生產(chǎn)。

2.研磨過(guò)程中物料和研磨介質(zhì)會(huì)向出料端集聚集，易導(dǎo)致堵料。

3.在骨架化這一重要預(yù)處理環(huán)節(jié)，由于納米硅在研磨后會(huì)產(chǎn)生靜電現(xiàn)象，且會(huì)包有一層溶劑，讓粉體很難以單個(gè)顆粒的形式和石墨結(jié)合，會(huì)導(dǎo)致聚乳膠化進(jìn)而影響材料性能。

4.半成品從干燥后到窯爐、粉碎及成品的物料輸送環(huán)節(jié)，氣體輸送速度（速度過(guò)快會(huì)破壞物料外表面，影響成品率）、料氣比的控制都很重要。且除了要保障長(zhǎng)距離輸送的穩(wěn)定性、避免堵管外，企業(yè)還需考慮除塵環(huán)節(jié)和降低能耗的問(wèn)題。

作為納米材料分散研磨領(lǐng)域的領(lǐng)軍企業(yè)，面向硅碳負(fù)極材料制備，琥崧開(kāi)發(fā)了覆蓋從實(shí)驗(yàn)室，到中試再到產(chǎn)業(yè)化的全流程解決方案。瞄準(zhǔn)納米材料研磨的無(wú)篩網(wǎng)化，琥崧的納米砂磨機(jī)采用雙離心分離，可利用離心力和向心力差，實(shí)現(xiàn)研磨介質(zhì)與物料的分離，保障液體介質(zhì)出料順暢。

為助力規(guī)模化制備，琥崧?lián)碛腥蚴准掖笕萘康募{米砂磨機(jī)SMN150如圖1所示，制備效率是國(guó)外設(shè)備的兩倍，可大大降低單車成本、提高毛利，減少質(zhì)檢頻次，實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代，幫助企業(yè)事半功倍地實(shí)現(xiàn)材料的產(chǎn)業(yè)化。

圖1 全球首家大容量硅碳負(fù)極專用納米砂磨機(jī)SMN150

不僅如此，琥崧通過(guò)創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，能讓物料運(yùn)動(dòng)在有壓力的情況下，改變物料的運(yùn)動(dòng)軌跡，不集聚在出料段，而是處在中間位置，巧妙地解決堵料的問(wèn)題。不僅如此，該設(shè)備的研磨粒徑分布更窄、批次穩(wěn)定性更高。琥崧研發(fā)生產(chǎn)的納米砂磨機(jī)采用動(dòng)態(tài)離心分離原理，確保研磨介質(zhì)與物料的無(wú)障礙分離，出料順暢，最小可使用0.03 mm研磨介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)30 nm以下的物料研磨，基本達(dá)到了納米化幾何尺寸的極限，2020年已通過(guò)輕工業(yè)化學(xué)電源研究所工業(yè)產(chǎn)業(yè)質(zhì)量控制和技術(shù)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)鑒定，如圖2所示。

圖2 輕工業(yè)化學(xué)電源研究所對(duì)琥崧納米砂磨機(jī)進(jìn)行質(zhì)量技術(shù)評(píng)價(jià)

值得一提的是，琥崧也是國(guó)內(nèi)首家擁有在線分散技術(shù)（IMS）的公司,為業(yè)內(nèi)提供納米級(jí)研磨分散服務(wù)。琥崧在線分散設(shè)備通過(guò)“真空吸料-解聚-浸潤(rùn)-分散”，將固液/液液進(jìn)行混合分散，它通過(guò)真空無(wú)損失地吸入粉體，爆破解聚后，再與泵送液體進(jìn)行浸潤(rùn)分散。特殊的定/轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高效的剪切速率，且粒徑分布均勻，可代替部分粗磨。同時(shí)，在封閉的系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行分散，可減少粉塵污染及VOC的排放，綠色環(huán)保，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)智能化；減少人工干預(yù)及原材料的浪費(fèi)，提高產(chǎn)品質(zhì)量的一致性和穩(wěn)定性。

此外，在輸送環(huán)節(jié)，琥崧還擁有專有輸送技術(shù)，可讓輸送速度更慢、料氣比更高、耗氣量更低，保證長(zhǎng)距離、短距離輸送不堵管，在琥崧的氣源管理系統(tǒng)的幫助下，更能將能耗降低30%以上。

打造緊密閉環(huán)，護(hù)航產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程

縱觀硅碳納米材料從研發(fā)走向產(chǎn)業(yè)化的全過(guò)程，琥崧在行業(yè)內(nèi)扮演著重要的護(hù)航者角色。無(wú)論是針對(duì)配方階段，還是在材料骨架化、成品輸送的過(guò)程中，琥崧打通了研發(fā)、中試和放大過(guò)程，并讓配方、工藝和設(shè)備三者實(shí)現(xiàn)有機(jī)結(jié)合，打造緊密閉環(huán)，通過(guò)提供全面的系列解決方案，為產(chǎn)業(yè)化的工藝一致性提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)保障，如圖3所示。

圖3 琥崧智能硅碳負(fù)極行業(yè)解決方案

不僅如此，在琥崧i-Neuron?智能化工廠解決方案的幫助下，客戶還能讓配方管理、訂單管理、工藝管理、配置管理、設(shè)備能耗及故障，形成端到端的一體化的可視化視圖，為設(shè)計(jì)方、業(yè)主方、施工方都提供巨大便利，“中德先進(jìn)制造技術(shù)國(guó)際創(chuàng)新園”的琥崧生產(chǎn)基地如圖4所示。

圖4 位于江蘇太倉(cāng)“中德先進(jìn)制造技術(shù)國(guó)際創(chuàng)新園”的琥崧生產(chǎn)基地

深耕納米材料領(lǐng)域多年，琥崧?lián)碛懈叨搜b備、數(shù)字化工廠、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域的強(qiáng)大的中德專家技術(shù)團(tuán)隊(duì)。一直以來(lái)，公司堅(jiān)持原創(chuàng)開(kāi)發(fā)，致力于推動(dòng)我國(guó)納米材料的發(fā)展與進(jìn)步。厚積薄發(fā)，琥崧現(xiàn)已打破德國(guó)對(duì)納米研磨設(shè)備的技術(shù)壟斷，基于強(qiáng)大迅捷的供應(yīng)鏈，為國(guó)內(nèi)外客戶提供著全方位服務(wù)和保障。