CVD法制備硅碳負極材料的工藝解析

常見的硅碳負極材料制備方法有機械球磨法、噴霧干燥法、化學氣相沉積法（CVD法）等。

機械球磨法通過塊體材料與旋轉球的碰撞將其粉碎成細小顆粒，工藝簡單，成本較低，但顆粒團聚現象嚴重。此外，過度研磨會破壞石墨的結晶度和表面，進而導致副反應。

噴霧干燥法則是利用加熱氣體快速干燥液體溶液以制造干粉，簡便連續，可擴 

展，但這種方法能耗高，并且對儀器要求較高。

CVD法是利用氣態或蒸汽態的物質在氣相或氣固界面上發生反應生成固態沉積物的過程。這種方法對于設備要求相對較低，工藝簡單可控，可以實現高質量沉積；同時可擴展性強，易于工業化生產。利用CVD法制備的硅碳負極材料通常具有較高的首次充放電效率和良好的循環穩定性，展現出了巨大的發展前景。

據悉，贛州立探新能源科技有限公司在建項目包含“年產300噸新型硅碳負極材料建設項目”，該項目擬采取CVD法制備硅碳負極材料，主要工藝為：投料→活化→沉積硅→沉積碳→混料→電除磁→篩分→包裝。

投料

以多孔碳原料作為前驅體，將多孔碳原料送入投料系統，投料系統采用負壓抽送的方式，通過密閉式管道輸送至下一工序的反應爐內進行活化。

活化

投料系統采用負壓抽送方式通過密閉式管道將多孔碳送入反應爐后，之后往反應爐內通入氮氣保護氣體，逐步升溫至活化所需溫度（800~1000℃）保溫10h，在氮氣保護下，進行碳的氧化反應，獲得多孔碳骨架。

沉積硅

活化反應后得到多孔碳骨架材料，將其輸送至化學氣相沉積爐內，之后通入氮氣保護氣體，逐步升溫至沉積反應所需溫度（400~800℃）保溫5～10h，在氮氣保護保溫期間，通入硅烷氣體通入到高溫爐內進行分解。硅烷自燃溫度是435℃，硅烷氣體在爐內大部分可自燃，不會出現硅烷氣體大量泄漏，且爐內確保負壓裂解，高溫爐外不形成爆炸區域，硅烷分解時多孔碳骨架停留在高溫爐內，硅烷氣體發生高溫分解生成納米硅，納米硅顆粒沉積在多孔碳骨架表面上并嵌入多孔碳骨架的空隙之中，實現沉積硅過程。待沉積硅完成后，關閉硅烷。

沉積硅過程涉及的化學反應方程式為：SiH₄→Si+2H₂↑。

沉積碳

待沉積硅完成后，關閉硅烷氣體，保持氮氣輸入和沉積反應所需溫度（400~800℃）保溫5～10h。在氮氣保護下，再向高溫爐中通入乙炔氣體進行分解，乙炔在400~800℃高溫下分解成炭，分解的碳沉積在多孔碳材料的孔隙上包覆到硅外層表面，最終得到高容量的硅碳復合材料。待沉積碳完成后，關閉乙炔，只通入氮氣進行降溫，待降至室溫，進行出料。

沉積碳過程涉及的化學反應方程式為：C₂H₂→2C+H₂↑。

混料

沉積硅完成后得到的硅碳復合材料經由負壓抽送的密閉管道進入混料機，混合均勻，提高批次的均勻性，在混料機高速運轉下混料約1h以達到充分混合的效果。混料機全封閉設置，輸送及混料過程不會有粉塵產生，僅在物料進入投料區投料時會有少量的投料粉塵產生，與投料工序的粉塵廢氣一并收集、處理、排放。

電除磁

考慮到原料中可能會夾帶少量的含鐵等磁性物質，磁性物質的存在會嚴重惡化鋰離子電池的循環性能和安全性能，因此，制備的硅碳復合材料需進行除磁處理，故需進入除磁機磁選。

混料后的物料經氣力輸送系統輸送至除磁機中，進行消磁處理，物料中的磁性物質受磁場影響會被吸附在設備中，磁性物質積聚到一定量后通過單獨出口排出。除磁指的是通過電流互感器產生磁場，磁場源強≤5000高斯，不會造成環境影響及員工身體傷害，利用產生的磁場吸附負極材料中含磁性的物質，從而達到除磁的目的。除磁機的進料、出料采用密封管道氣力輸送，因此除磁工序幾乎不會有粉塵產生，主要產生廢磁性物質等。

篩分

除磁處理后的物料通過氣力輸送方式，經密封管道送至振動篩內進行篩分，將物料中的大顆粒去掉。

檢測

篩分合格的物料進行抽樣檢測，經檢測不合格產品，與篩分工序不合格物料一并作為一般固廢處置。

包裝入庫

經檢測合格的產品，送入自動包裝系統，利用封口機密封打包，物料通過管路直接進入包裝袋，為密閉包裝。

信息來源：

成業等.化學氣相沉積法在鋰離子電池硅/碳負極中的應用

贛州立探建設項目環境影響報告表

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