納米分散研磨技術助力硅碳負極產業化

文/本刊記者 胡靜

走進上海琥崧智能科技股份有限公司——近年來，備受業界關注的特斯拉4680電池的推出，在電池能源領域掀起了一波新電極材料產業化的浪潮。此次與電芯體積一起增長的，不僅是電池容量、循環壽命，還有市場對其中硅碳負極材料的爆發性需求。

放眼當下，硅基負極產業的發展有哪些技術痛點，納米材料分散研磨技術的突破又將為行業帶來哪些重要意義？本文走進上海琥崧智能科技股份有限公司，帶您一探究竟。

硅碳負極材料：應用前景不可估量

在汽車電動化的發展進程中，續航里程和成本一直是制約純電動汽車快速發展的重要因素。電池作為突破點，一直是各家車企、電池廠商發力的重點。型號從1865到2170，再 到4680（即直徑46 mm、高度80 mm的新一代圓柱電池），作為新一代型號電池，毋庸置疑，4680將有望廣泛應用于車用動力電池儲能設備中，為用戶帶來更安全、更強勁的電源動力。

而4680電池能收獲如此多的關注，是因為和傳統電池相比，有幾大特殊的革新亮點。首先，電池無極耳的設計解決了電池一直以來的散熱難題，提升了快充能力和安全性；干電極工藝的采用，能夠簡化步驟、減少制造成本；負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，續航里程更可增加20%。

為適應更高能量密度的電池需求，硅基負極走入產業視野。在全球范圍內，包括納米硅碳、氧化亞硅基等在內的原材料，都迎來了蓬勃發展期。隨著技術瓶頸的克服與終端客戶接受度提升，硅碳將成本下降，實現大規模量產，CNCET（中國化工經濟技術發展中心）預計，2023年我國硅碳負極材料產量及消費量將達到6萬t，未來硅碳負極市場前景巨大。

硅碳負極量產的技術痛點

在動力及消費電池的催化下，隨著硅基負極產業化持續鋪開，群雄競逐“硅基時代”。對于原材料生產企業來說，想要擁抱時代機遇，降低硅碳制備成本、實現高質量的大規模量產，仍存在許多現實的困難。

從材料本身特性出發，在配方研發階段，硅碳材料有著高投入、高難度和高門檻，以及長研究周期、長驗證周期和長應用周期的“三高三長”的特點。其中的高難度體現在，除了高能量密度特性以外，硅材料的膨脹系數大，多次充放電的膨脹和收縮，容易導致粉末化，進而會降低電池的整體穩定性，埋下安全隱患。

為了降低硅的幾何尺寸和體積，以解決材料膨脹問題，納米化是非常重要的一環，對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”類似果殼的材料結構，來降低粉碎的風險，廠商則需要確定原料添加比例，以提高材料庫侖效率、電流的均勻性和功率密度，這些都是難點所在。

不僅如此，材料想要從實驗室走向百萬噸級生產，中試的放大過程至關重要。正所謂一代材料、一代裝備，材料研究、工藝和設備是一個密不可分的整體，需要形成閉環。然而，國內廠商普遍比較重視配方研發，開發存在著嚴重的割裂問題，制約了中試放大的效率和可靠性。

除此之外，在產品質量的穩定性和一致性層面，國內廠商與國際領先水平仍存在較大差距。精益生產講究“人、機、料、法、環、測”全因素平衡的理念，然而部分廠商在表征過程中，缺乏對外部條件（包括異物防護、靜電控制、粉塵水分）的考量，認為工藝參數不變、檢查指標在范圍內，質量就會穩定，這一理念誤區亟需被糾正。

毋庸置疑，在硅碳負極材料制備過程中，納米化是成功實現產業化的關鍵。而納米硅制備和包覆工藝本質上就是分散研磨的過程，但是納米粉體及相關分散、研磨是精細化工高附加值產品的關鍵技術，全球僅有少數幾家公司掌握，技術壁壘很高。

領軍專利技術，攻破納米材料難題

一直以來，無論是對制造企業還是用戶而言，納米材料的粒徑分布、形貌一致性都是核心的關注點。在眾多制備方法中，機械球磨法憑借粒度小、分布勻和工藝簡單等優勢，在工業化生產中應用廣泛。然而，這一傳統制備方法仍有許多難題亟待解決：

1.在納米化過程中，粒徑d50＜100 nm是必要的門檻，因此研磨介質要＜0.1 mm，篩網間隙要＜0.05 mm（1/2研磨介質），當納米硅達不到要求時，篩網就容易被堵住，影響制備效率和正常生產。

2.研磨過程中物料和研磨介質會向出料端集聚集，易導致堵料。

3.在骨架化這一重要預處理環節，由于納米硅在研磨后會產生靜電現象，且會包有一層溶劑，讓粉體很難以單個顆粒的形式和石墨結合，會導致聚乳膠化進而影響材料性能。

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

作為納米材料分散研磨領域的領軍企業，面向硅碳負極材料制備，琥崧開發了覆蓋從實驗室，到中試再到產業化的全流程解決方案。瞄準納米材料研磨的無篩網化，琥崧的納米砂磨機采用雙離心分離，可利用離心力和向心力差，實現研磨介質與物料的分離，保障液體介質出料順暢。

為助力規模化制備，琥崧擁有全球首家大容量的納米砂磨機SMN150如圖1所示，制備效率是國外設備的兩倍，可大大降低單車成本、提高毛利，減少質檢頻次，實現進口替代，幫助企業事半功倍地實現材料的產業化。

圖1 全球首家大容量硅碳負極專用納米砂磨機SMN150

不僅如此，琥崧通過創新的結構改進，能讓物料運動在有壓力的情況下，改變物料的運動軌跡，不集聚在出料段，而是處在中間位置，巧妙地解決堵料的問題。不僅如此，該設備的研磨粒徑分布更窄、批次穩定性更高。琥崧研發生產的納米砂磨機采用動態離心分離原理，確保研磨介質與物料的無障礙分離，出料順暢，最小可使用0.03 mm研磨介質，實現30 nm以下的物料研磨，基本達到了納米化幾何尺寸的極限，2020年已通過輕工業化學電源研究所工業產業質量控制和技術評價實驗室的技術鑒定，如圖2所示。

圖2 輕工業化學電源研究所對琥崧納米砂磨機進行質量技術評價

值得一提的是，琥崧也是國內首家擁有在線分散技術（IMS）的公司,為業內提供納米級研磨分散服務。琥崧在線分散設備通過“真空吸料-解聚-浸潤-分散”，將固液/液液進行混合分散，它通過真空無損失地吸入粉體，爆破解聚后，再與泵送液體進行浸潤分散。特殊的定/轉子設計實現了高效的剪切速率，且粒徑分布均勻，可代替部分粗磨。同時，在封閉的系統內進行分散，可減少粉塵污染及VOC的排放，綠色環保，實現生產智能化；減少人工干預及原材料的浪費，提高產品質量的一致性和穩定性。

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

打造緊密閉環，護航產業化進程

縱觀硅碳納米材料從研發走向產業化的全過程，琥崧在行業內扮演著重要的護航者角色。無論是針對配方階段，還是在材料骨架化、成品輸送的過程中，琥崧打通了研發、中試和放大過程，并讓配方、工藝和設備三者實現有機結合，打造緊密閉環，通過提供全面的系列解決方案，為產業化的工藝一致性提供堅實的基礎保障，如圖3所示。

圖3 琥崧智能硅碳負極行業解決方案

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、設備能耗及故障，形成端到端的一體化的可視化視圖，為設計方、業主方、施工方都提供巨大便利，“中德先進制造技術國際創新園”的琥崧生產基地如圖4所示。

圖4 位于江蘇太倉“中德先進制造技術國際創新園”的琥崧生產基地

深耕納米材料領域多年，琥崧擁有高端裝備、數字化工廠、物聯網技術領域的強大的中德專家技術團隊。一直以來，公司堅持原創開發，致力于推動我國納米材料的發展與進步。厚積薄發，琥崧現已打破德國對納米研磨設備的技術壟斷，基于強大迅捷的供應鏈，為國內外客戶提供著全方位服務和保障。