一、喷雾干燥技术概述

（一）技术简介

喷雾干燥技术是一种常用的造粒方法，能够将液态物料直接干燥成粉粒状产品。该过程迅速，生产能力大，因此在制药、食品、陶瓷、水泥等多个领域广泛应用。

（二）装置构成

喷雾干燥装置主要由空气过滤器、鼓风机、雾化器、加热器、储料罐、干燥塔、输料泵、旋风分离器、排风机等组成。空气经过滤器过滤并由加热器加热后进入干燥塔；同时，液态物料在输料泵作用下进入干燥塔，被雾化器雾化成细小雾滴，雾滴与热空气接触，水分蒸发，干燥后的物料沉降在干燥塔底部。部分细粉和废气进入旋风分离器分离，细粉回收，废气经排风机排入大气。其中，雾化器是喷雾干燥流程的核心部件。

（三）技术类型

根据雾化器采用的雾化方法，喷雾干燥技术分为以下三类：

气流式喷雾干燥：利用压缩空气或水蒸气雾化物料。气流式雾化器中间为物料通道，外边缘为气体通道，高速气流（200 - 340m/s）与低速料液（小于 2m/s）之间的速度差产生摩擦力和剪切力，使料液瞬间形成微小雾滴（5 - 30μm）。该雾化器结构简单、磨损小、操作弹性大、不易堵塞，适用于高粘度物料的雾化。

压力式喷雾干燥：借助高压泵雾化物料。压力式雾化器由液体切向入口、流体旋转室和喷嘴孔组成，物料通过高压泵获得能量，在旋转室内高速运动形成环形薄膜，从喷嘴高速喷出形成无数细小液滴（0.4 - 4μm）。其结构简单、维修简便，但不适用于高粘度物料。

离心式喷雾干燥：依靠高速转动的圆盘将液态物料雾化。液态物料进入液体分布器后被均匀送到高速旋转的雾化器上，在离心力作用下，物料在雾化器表面以薄膜形式伸展并向边缘移动，因惯性和与空气的摩擦作用分散成微小雾滴。通常在喷雾干燥塔内安装一只离心式雾化器即可，雾化能力在 6 - 200t/h 范围内可调，生产调节能力大。

二、硅碳复合负极材料的需求

锂电负极材料常需通过复合手段改善和提高电化学性能。硅基负极具有理论比容量高的优势，如硅材料理论比容量达 4200mAh/g，是石墨的 10 倍以上，但充放电时高达 300% 的体积膨胀会威胁电池寿命与安全。科研人员尝试利用不同的硅和碳的前驱体进行复合，硅前驱体包括 SiO₂的镁热和铝热还原以及商业纳米硅，碳源包括生物质、碳纳米管、石墨烯等，在此过程中，喷雾干燥技术可发挥重要作用。

三、喷雾干燥技术在硅碳复合负极材料制备中的应用

（一）制备核壳结构材料

有研究通过喷雾干燥结合后续热解工艺，成功合成了以天然石墨为核，硅纳米颗粒填充在由柠檬酸和沥青前驱体热解形成的多孔碳基质中作为壳的硅 / 石墨 / 无定形碳（Si/C）复合负极材料。这种核壳结构以及多孔碳涂层能够有效适应硅在锂嵌入 / 脱出过程中的大体积变化，稳定电极结构。所制备的 Si/C 复合负极材料展现出高容量和出色的循环稳定性，在 100mA/g 的电流密度下，初始比放电容量约为 723.8mAh/g，100 次循环后可逆比容量约为 600mAh/g，约为石墨的两倍。

（二）解决硅基负极体积膨胀问题

采用喷雾干燥工艺可实现硅 - 碳复合颗粒的规模化合成，其中硅纳米颗粒嵌入多孔碳颗粒中。多孔碳中存在的空隙能够容纳硅的体积膨胀，解决了硅基负极长期存在的容量衰减问题。所制备的复合电极展现出优异的电化学性能，如在 0.05C 倍率下容量可达 1956mAh/g，150 次循环后容量保持率为 91%。并且，喷雾干燥方法形成单个颗粒仅需 2 秒，即使使用基于超声的实验室规模设备，生产能力也可达约 10g/h。

（三）制备其他复合结构材料

以氧化亚硅（SiO）和碳纳米管（CNTs）为原料，利用喷雾干燥技术可一步制备线球状的 SiO/CNTs 复合负极材料。从微观结构上看，SiO 微米片团聚形成二次类球型颗粒，CNTs 包覆在 SiO 片上形成线球状结构。一方面，CNTs 可作为包覆层缓解 SiO 在脱嵌锂过程中的体积膨胀效应；另一方面，CNTs 作为导电骨架可有效提高复合材料的导电性，有利于电极材料容量的发挥。当 CNTs 质量分数为 15% 时，该复合负极材料在 500mA/g 的电流密度下循环 300 圈之后，可逆比容量为 633mA・h/g，容量保持率为 62.2%。

（四）安全与环保要求

在硅碳负极多孔碳包覆纳米硅的过程中，若涉及有机溶剂喷雾干燥，需首要考虑 EHS（环境、健康与安全）问题。喷雾干燥设备需满足一系列安全要求，如系统采用惰性气体氮气作为工艺气体，防止产品氧化并防爆；设备内部内置氧气含量传感器；仪器仪表、传感器满足电气和粉尘防爆要求；设备外部（操作车间）安装氧气传感器；配备泄爆阀或导爆面板。此外，有机溶剂不能向环境中排放，需配置有机溶剂冷凝回收模块。

那艾仪器在离心式、气流式喷雾干燥机，以及硅碳负极材料，硫化物固态电解质，磷酸铁锂等新能源行业的新材料在喷雾干燥机中的应用经验丰富，欢迎垂询。