硅氧負(fù)極材料項目工程設(shè)計

鄧子逸，尹 勇，馬鵬程

（1.中機國際工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，湖南長沙 410000；2.鋰離子電池及材料智能制造先進技術(shù)湖南省工程研究中心，湖南長沙 410000）

1 項目設(shè)計背景

目前商業(yè)化應(yīng)用最常見的負(fù)極材料是碳材料，但硅的理論比容量遠(yuǎn)高于碳材料，但硅在完全嵌鋰后，體積會膨脹到400%左右，巨大的體積膨脹抑制了它的廣泛應(yīng)用[1–2]。氧化硅的容量（1 965 mAh/g）雖然只有硅的一半，但其在循環(huán)過程中顯示出較小的體積膨脹，因此一直以來也是研究的熱點[3]。氧化硅常和其他材料進行一系列復(fù)合，用作鋰離子電池的高性能負(fù)極材料[4–5]。目前硅氧負(fù)極材料工廠建設(shè)主要采用的方法為CVD 氣相沉積法，以SiH4、納米硅粉、SBA-15 和硅藻等硅單質(zhì)或含硅化合物為硅源，碳或者有機物為碳源，以其中一種組分為基體，將另一組分均勻沉積在基體表面得到復(fù)合材料。用此法制備的復(fù)合材料，硅碳兩組分間連接緊密，結(jié)合力強，充放電過程中活性物質(zhì)不易脫落，具有優(yōu)良的循環(huán)穩(wěn)定性和更高的首次充放電效率，碳層均勻穩(wěn)定，不易出現(xiàn)團聚現(xiàn)象。此方法對設(shè)備要求簡單，反應(yīng)過程環(huán)境友好，復(fù)合材料雜質(zhì)含量少，適合工業(yè)化生產(chǎn)。

2 工藝路線分析

硅基負(fù)極的生產(chǎn)工藝主要有化學(xué)氣相沉積法（CVD）法、溶膠-凝膠法、高溫?zé)峤夥āC械球磨法，這4種常用方法的優(yōu)劣勢見表1。

表1 硅基負(fù)極常用制備方法的優(yōu)劣勢比較

硅氧負(fù)極常用化學(xué)氣相沉積法（CVD），因此后文主要探討CVD 法制備硅氧負(fù)極的工程思路。硅氧負(fù)極制備的工藝流程如圖1所示。

圖1 硅氧負(fù)極材料工藝生產(chǎn)流程示意

1）SiO 合金化：將硅粉和二氧化硅分別進行粗磨和細(xì)磨后，將兩者混合壓成塊狀，再在高溫中生成SiO。

2）球磨篩分：在SiO 中加入研磨介質(zhì)進行研磨，優(yōu)選粒徑為5~7 μm 的SiO 微粒。

3）碳包覆：以乙炔等有機氣體為碳源，經(jīng)過高溫?zé)峤夂蟛捎肅VD 法進行表面碳包覆。

4）除磁和混合包裝：對碳包覆后的氧化硅進行除磁后與石墨混合包裝。

以年產(chǎn)100 t 為參考對該工藝進行物料平衡計算，結(jié)果見表2。

表2 硅氧負(fù)極生產(chǎn)線物料平衡 t/a

3 生產(chǎn)設(shè)備及工藝流程簡述

目前CVD 法制備硅氧負(fù)極主要使用的設(shè)備為氣相回轉(zhuǎn)爐、機械粉碎機、氣流粉碎機、對輥破碎機、篩分機、除磁機，混合機等。生產(chǎn)過程中將購買的硅石噸袋通過噸袋解包站拆包進入投料暫存?zhèn)}（材質(zhì)為304+碳化鎢）中，其中氧化亞硅采用直接購買硅石或者將氧化硅和硅經(jīng)過砂磨得到，通過振動給料機進入雙對輥破碎中進行破碎處理，后經(jīng)除鐵器進入進料倉中，再通過氣流粉碎機得到硅粉進入硅粉暫存?zhèn)}中（材質(zhì)為304）。暫存?zhèn)}中的硅粉通過旋轉(zhuǎn)閥進入CVD氣相爐中同時通入乙炔、氫氣進行氣相包覆得到硅氧負(fù)極材料。將得到的硅氧負(fù)極材料通過負(fù)壓輸送進入機械粉碎中進行破碎處理，后進入暫存?zhèn)}中（材質(zhì)為304），最后將不同批次的硅氧負(fù)極材料經(jīng)過混料機混合、雙層振動篩篩分、電磁除鐵器除鐵后負(fù)壓輸送至25 kg 小包包裝機中進行包裝得到產(chǎn)品。該流程各階段的物料、加工工藝、粒徑情況見表3。

表3 各階段物料、加工工藝、粒徑情況

廠房平面布置探討。目前硅氧負(fù)極的廠房布置通常采用單層流線型布置，整個廠房的生產(chǎn)流線從頭到尾貫通，有利于生產(chǎn)流線的暢通使物料更加順暢。

同時投料包裝區(qū)域采用獨立鋼平臺多層投料、包裝的模式，充分利用廠房立體空間，利用物料自身重力進行下料，在節(jié)約能源的同時也更有利于物料運輸?shù)墓芸亍Ｒ虼四壳皬S房包裝區(qū)與投料區(qū)相比其他區(qū)域較高，具體剖視圖如圖2所示。

圖2 硅氧負(fù)極廠房常用布置參考

目前常用的利用重力的豎向布置方式通常為4層布置，以包裝區(qū)域為例，4層分別為包裝機、暫存?zhèn)}、除鐵器、上料器。具體布置情況如圖3所示。

圖3 包裝區(qū)4層設(shè)備布置示意

4 土建工程設(shè)計

硅氧負(fù)極項目除負(fù)極生產(chǎn)廠房外，還須配套污水處理站、公用工程站房、負(fù)極生產(chǎn)控制中心、檢測中心、備品維修庫、乙炔氫氣房等。

4.1 地基處理

要根據(jù)擬建建筑物場地進行設(shè)計，若不能滿足設(shè)計要求，需采用灰土擠密樁整片處理方案及強夯法對地基進行處理，消除場地濕陷性并提高地基承載力。處理完畢后需對地基承載力及處理范圍內(nèi)土的濕陷性進行檢測，檢測合格后方可進行下部施工。根據(jù)處理后的地基承載力，柱下基礎(chǔ)可采用獨立基礎(chǔ)或聯(lián)合基礎(chǔ)。

4.2 建筑結(jié)構(gòu)

污水處理站、公用工程站房、負(fù)極生產(chǎn)控制中心、檢測中心、乙炔氫氣房，可考慮采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)；硅氧負(fù)極材料廠房、備品維修庫等考慮采用鋼結(jié)構(gòu)廠房。

4.3 防火

根據(jù)建筑生產(chǎn)類別和要求不同，采用不同的建筑材料，以滿足規(guī)范的要求。本工程建筑耐火等級均為二級及二級以上，建構(gòu)筑物需涂刷防火涂料或者防火板包覆，防火分區(qū)按照國家現(xiàn)行的防火規(guī)范要求進行。硅氧負(fù)極生產(chǎn)廠房、乙炔氫氣房由于使用乙炔、氫氣作為CVD 包覆氣體，故需要定為甲類，其他車間根據(jù)具體情況可定為丙-戊類。

4.4 防噪、防塵

對于噪聲處理，采取隔音降噪方式，封閉噪聲源，增強建筑物的密閉性，采用多孔磚墻，起到較好的隔聲效果。對于粉塵處理，總體區(qū)域內(nèi)要考慮一定的隔離，同時提高內(nèi)部裝修標(biāo)準(zhǔn)，以利于塵埃清除。

5 公用配套設(shè)計

5.1 供電設(shè)計

5.1.1 電源

為節(jié)省造價，一般在園區(qū)內(nèi)修建中心變配電所，從相鄰地塊110 kV 或220 kV 變電站引入2路10 kV 電源，再在各廠房負(fù)荷中心修建變配電房。除消防排煙、消防水泵、穩(wěn)壓泵等消防設(shè)備用電負(fù)荷為二級負(fù)荷外，其余廠房一般為三級負(fù)荷。

結(jié)合項目的具體情況，控制系統(tǒng)DCS、PLC 電源增加UPS 供電系統(tǒng)；消防水泵、穩(wěn)壓泵、消防排煙等重要負(fù)荷設(shè)置柴油發(fā)電機作為臨時電源保障供電安全。

5.1.2 照明

根據(jù)各建筑物內(nèi)功能和照度要求的不同，生產(chǎn)廠房內(nèi)的照明采用高效節(jié)能LED 燈、辦公場所采用高效節(jié)能LED 燈或熒光燈作為主要照明光源。

界區(qū)內(nèi)的各生產(chǎn)裝置、各輔助公用工程裝置和公用建筑的疏散走道、公共出口等處均設(shè)置了消防疏散指示標(biāo)志和消防應(yīng)急照明燈具，采用集中電源集中控制型系統(tǒng)，保證供電時間不小于90min，除應(yīng)符合GB 50016—2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》（2018年版）的規(guī)定外，還應(yīng)符合GB 51309—2018《消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定。

5.1.3 防雷與接地

廠區(qū)所有建筑單體均按二類或三類防雷建筑物進行防雷設(shè)計。在屋頂女兒墻上設(shè)接閃帶或利用金屬屋面為接閃器防直擊雷，利用柱內(nèi)結(jié)構(gòu)鋼筋為防雷引下線，利用結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)鋼筋為接地極。

各建筑單體采用聯(lián)合接地系統(tǒng)，在各建筑單體內(nèi)運行總等電位聯(lián)結(jié)，并采取防雷電感應(yīng)等措施，插座回路設(shè)漏電保護。

5.2 公輔介質(zhì)及管道

車間使用的公輔介質(zhì)主要為壓縮空氣、蒸汽、氮氣、循環(huán)冷卻水、冷凍水等。

動力管道敷設(shè)方式采用架空敷設(shè)。蒸汽管道、熱水管道、冷凍水管道采用保溫預(yù)制管，蒸汽管道的基管為無縫鋼管，材質(zhì)為鋼20，滿足國標(biāo)GB/T 8163—2018 的要求，保溫材料為硅酸鋁棉，外護管采用高密度聚四氟乙烯。熱水管道的基管為內(nèi)襯不銹鋼管，保溫材料為聚氨酯泡沫，外護管為高密度聚四氟乙烯。其他管道采用不銹鋼無縫鋼管，材質(zhì)為304（06Cr19Ni10），滿足國標(biāo)GB/T 14976—2012的要求。

6 結(jié)論

通過對鋰電池硅氧負(fù)極在工程設(shè)計中應(yīng)用中的討論得出以下結(jié)論。

1）目前硅氧負(fù)極產(chǎn)業(yè)化工藝路線主要以CVD 氣相沉積法為主。

2）硅氧負(fù)極工程中平面布置采用單層流線型布置方式。局部采用高層平臺形式。

3）硅氧負(fù)極設(shè)計過程中土建部分要注意防火、防塵等一系列措施。