一、噴霧干燥技術概述

（一）技術簡介

噴霧干燥技術是一種常用的造粒方法，能夠?qū)⒁簯B(tài)物料直接干燥成粉粒狀產(chǎn)品。該過程迅速，生產(chǎn)能力大，因此在制藥、食品、陶瓷、水泥等多個領域廣泛應用。

（二）裝置構成

噴霧干燥裝置主要由空氣過濾器、鼓風機、霧化器、加熱器、儲料罐、干燥塔、輸料泵、旋風分離器、排風機等組成?？諝饨?jīng)過濾器過濾并由加熱器加熱后進入干燥塔；同時，液態(tài)物料在輸料泵作用下進入干燥塔，被霧化器霧化成細小霧滴，霧滴與熱空氣接觸，水分蒸發(fā)，干燥后的物料沉降在干燥塔底部。部分細粉和廢氣進入旋風分離器分離，細粉回收，廢氣經(jīng)排風機排入大氣。其中，霧化器是噴霧干燥流程的核心部件。

（三）技術類型

根據(jù)霧化器采用的霧化方法，噴霧干燥技術分為以下三類：

氣流式噴霧干燥：利用壓縮空氣或水蒸氣霧化物料。氣流式霧化器中間為物料通道，外邊緣為氣體通道，高速氣流（200 - 340m/s）與低速料液（小于 2m/s）之間的速度差產(chǎn)生摩擦力和剪切力，使料液瞬間形成微小霧滴（5 - 30μm）。該霧化器結構簡單、磨損小、操作彈性大、不易堵塞，適用于高粘度物料的霧化。

壓力式噴霧干燥：借助高壓泵霧化物料。壓力式霧化器由液體切向入口、流體旋轉室和噴嘴孔組成，物料通過高壓泵獲得能量，在旋轉室內(nèi)高速運動形成環(huán)形薄膜，從噴嘴高速噴出形成無數(shù)細小液滴（0.4 - 4μm）。其結構簡單、維修簡便，但不適用于高粘度物料。

離心式噴霧干燥：依靠高速轉動的圓盤將液態(tài)物料霧化。液態(tài)物料進入液體分布器后被均勻送到高速旋轉的霧化器上，在離心力作用下，物料在霧化器表面以薄膜形式伸展并向邊緣移動，因慣性和與空氣的摩擦作用分散成微小霧滴。通常在噴霧干燥塔內(nèi)安裝一只離心式霧化器即可，霧化能力在 6 - 200t/h 范圍內(nèi)可調(diào)，生產(chǎn)調(diào)節(jié)能力大。

二、硅碳復合負極材料的需求

鋰電負極材料常需通過復合手段改善和提高電化學性能。硅基負極具有理論比容量高的優(yōu)勢，如硅材料理論比容量達 4200mAh/g，是石墨的 10 倍以上，但充放電時高達 300% 的體積膨脹會威脅電池壽命與安全。科研人員嘗試利用不同的硅和碳的前驅(qū)體進行復合，硅前驅(qū)體包括 SiO?的鎂熱和鋁熱還原以及商業(yè)納米硅，碳源包括生物質(zhì)、碳納米管、石墨烯等，在此過程中，噴霧干燥技術可發(fā)揮重要作用。

三、噴霧干燥技術在硅碳復合負極材料制備中的應用

（一）制備核殼結構材料

有研究通過噴霧干燥結合后續(xù)熱解工藝，成功合成了以天然石墨為核，硅納米顆粒填充在由檸檬酸和瀝青前驅(qū)體熱解形成的多孔碳基質(zhì)中作為殼的硅 / 石墨 / 無定形碳（Si/C）復合負極材料。這種核殼結構以及多孔碳涂層能夠有效適應硅在鋰嵌入 / 脫出過程中的大體積變化，穩(wěn)定電極結構。所制備的 Si/C 復合負極材料展現(xiàn)出高容量和出色的循環(huán)穩(wěn)定性，在 100mA/g 的電流密度下，初始比放電容量約為 723.8mAh/g，100 次循環(huán)后可逆比容量約為 600mAh/g，約為石墨的兩倍。

（二）解決硅基負極體積膨脹問題

采用噴霧干燥工藝可實現(xiàn)硅 - 碳復合顆粒的規(guī)?；铣?，其中硅納米顆粒嵌入多孔碳顆粒中。多孔碳中存在的空隙能夠容納硅的體積膨脹，解決了硅基負極長期存在的容量衰減問題。所制備的復合電極展現(xiàn)出優(yōu)異的電化學性能，如在 0.05C 倍率下容量可達 1956mAh/g，150 次循環(huán)后容量保持率為 91%。并且，噴霧干燥方法形成單個顆粒僅需 2 秒，即使使用基于超聲的實驗室規(guī)模設備，生產(chǎn)能力也可達約 10g/h。

（三）制備其他復合結構材料

以氧化亞硅（SiO）和碳納米管（CNTs）為原料，利用噴霧干燥技術可一步制備線球狀的 SiO/CNTs 復合負極材料。從微觀結構上看，SiO 微米片團聚形成二次類球型顆粒，CNTs 包覆在 SiO 片上形成線球狀結構。一方面，CNTs 可作為包覆層緩解 SiO 在脫嵌鋰過程中的體積膨脹效應；另一方面，CNTs 作為導電骨架可有效提高復合材料的導電性，有利于電極材料容量的發(fā)揮。當 CNTs 質(zhì)量分數(shù)為 15% 時，該復合負極材料在 500mA/g 的電流密度下循環(huán) 300 圈之后，可逆比容量為 633mA?h/g，容量保持率為 62.2%。

（四）安全與環(huán)保要求

在硅碳負極多孔碳包覆納米硅的過程中，若涉及有機溶劑噴霧干燥，需首要考慮 EHS（環(huán)境、健康與安全）問題。噴霧干燥設備需滿足一系列安全要求，如系統(tǒng)采用惰性氣體氮氣作為工藝氣體，防止產(chǎn)品氧化并防爆；設備內(nèi)部內(nèi)置氧氣含量傳感器；儀器儀表、傳感器滿足電氣和粉塵防爆要求；設備外部（操作車間）安裝氧氣傳感器；配備泄爆閥或?qū)П姘?。此外，有機溶劑不能向環(huán)境中排放，需配置有機溶劑冷凝回收模塊。

那艾儀器在離心式、氣流式噴霧干燥機，以及硅碳負極材料，硫化物固態(tài)電解質(zhì)，磷酸鐵鋰等新能源行業(yè)的新材料在噴霧干燥機中的應用經(jīng)驗豐富，歡迎垂詢。