CN103896283B - 一种SiO粉末的制造方法和制造装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种SiO粉末的制造方法和制造装置，包括如下步骤：将硅粉末和二氧化硅粉末混合后加热至升华出气态的SiO；气态的SiO在惰性气体的保护下，在析出基体的外表面上析出；降温后，析出的SiO剥离得到SiO粉末；析出基体在所述气态的SiO析出过程中是旋转的。本发明的制造装置包括气体流动方向控制组件，原料室与析出室相对水平设置，析出室内设置回转式析出基体。该制造装置使得析出比表面积更大，热传导效率更高，分区温度控制更加精确，析出产能及品质更高；同时，对于升华气体进行惰性气流撞击及导向控制，有助于提高析出颗粒粒径分布的一致性。

Description

一种SiO粉末的制造方法和制造装置

技术领域

本发明涉及SiO粉末的制造方法和制造装置，尤其涉及一种锂离子二次电池负极材料使用的SiO粉末的制造方法和制造装置。

背景技术

锂离子电池由于具有高电压、高能量密度和长循环寿命的优势，成为应用范围最广的二次电池之一。但随着便携式电子设备微型化、长待机的不断发展，以及电动自行车、电动汽车等大功率、高能量设备的启用，都对作为储能电源的锂离子电池的能量密度的提出了越来越高的要求。

为了满足这一需求，更高充放电容量，更高首次效率的SiO等SiOx（0＜x≤2）作为负极活性物质备受关注。对于SiO材料的制备，加热升华及冷却析出的温度控制极为关键，过高或过低的温度都将导致析出的SiO材料质量及特性的不稳定，另外，析出基体的结构设计对于析出产率的影响也十分显著，同时通过发明者等的研究，对升华后的原料气体通入一定流速的惰性气体的气流控制，对于析出的SiO颗粒粒径分布的一致性也极为重要。已有一些专利文献报道均采用传统的立式高温真空炉，对于上诉技术问题均无很好的解决方案，例如公开号为CN102484248A及CN100486000C的中国专利申请提到的立式结构，析出室位于原料室上方，升华后的气流主体向上，由于气体与气体之间导热系数小，原料气体在上升过程中温降速率低，存在较宽的的温度分布区，温度控制精确性差，析出的原料颗粒的品质受到一定影响，于此同时，只有部分的原料气体快速与析出基体壁面进行热交换而析出，析出产能低；另外，静态的析出基体使得析出位置具有极大的随机性，即部分位置析出多，而其它部分则较少，导致析出基体导热不均匀且缓慢，温度控制精度差，也恶化了原料颗粒的析出品质。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种SiO粉末的制造方法和制造装置，以高产率提供颗粒粒径分布一致的SiO粉末。

为实现上述目的，本发明提供了一种SiO粉末的制造方法，包括如下步骤：

将硅粉末和二氧化硅粉末混合后加热至升华出气态的SiO；所述气态的SiO在惰性气体的保护下，在析出基体的外表面上析出；降温后，将在所述析出基体的外表面上析出的SiO剥离得到所述的SiO粉末；所述析出基体在所述气态的SiO析出过程中是旋转的。

优选地，所述析出基体在水平方向上与被混合加热的硅粉末和二氧化硅远离，升华出的气态的SiO在惰性气体的带动下，流向所述析出基体并在其上析出。

优选地，所述加热指加热到1250～1350℃。

优选地，所述惰性气体包括氮气、氩气和氦气。优选地，所述惰性气体的流速为1～5m/s。

另一方面，本发明提供了一种SiO粉末的制造装置，包括真空室、密封组件、隔热组件、原料室、析出室、温度控制系统和冷却水系统，所述密封组件连接所述原料室与所述析出室，实现原料室和析出室与外部的密封隔离，确保升华的原料气体不会向外部空间溢出或沉积。所述原料室内设置有原料容器，所述析出室内设置有析出基体。

优选地，本发明提供的SiO粉末的制造装置，包括气体流动方向控制组件，且原料室与析出室相对水平设置。

优选地，所述气体流动方向控制组件包括气体入口、气流导向部件以及气体排出口。进一步地，所述气流导向部件的一侧具有孔径一致、排布均匀的气孔，优选地，所述气流导向部件的材质为耐高温金属管。更优选地，所述气流导向部件被设置为具有气孔的一侧朝向析出室。当惰性气通过气体入口进入气流导向部件后，气流方向被控制为朝向析出室。优选地，所述耐高温金属管为耐高温不锈钢管。

优选地，所述SiO粉末的制造装置包括两套温度控制系统，分别独立控制原料室和析出室的温度。优选地，所述温度控制系统包括加热源和热电偶，可以精确、快速地控制原料室和析出室的温度。

优选地，所述SiO粉末的制造装置，包括四套冷却水系统，分析实现对真空室、原料室、析出室和析出基体的冷却。进一步地，所述冷却水系统包括冷却水进口和冷却水出口。

优选地，所述析出基体为回转式析出基体。进一步地，所述回转式析出基体为圆筒形结构，能够沿转动轴匀速旋转。回转式析出基体的析出比表面积较平板式析出基体大的多，可提供更高的单批次产率。同时回转式析出基体为动态析出基体，相比静态的析出基体，更有利于将原料冷却析出过程的热量集中区迅速的转移并实现析出物的均匀沉积，实现更高精度的温度控制，有利于提高SiO粉末析出的品质及产率。

进一步地，所述回转式析出基体内布置有冷却水管道，在通入冷却水的工作状态下，能够进行迅速热传导促进原料气体迅速冷却析出。

优选地，所述原料室与所述析出室的材质相同，均为耐高温材料。进一步地，所述耐高温材料包括石英玻璃、钨片、耐高温不锈钢、碳化硅和氧化铝。更优选地，所述耐高温材料为石英玻璃或钨片。

优选地，所述隔热组件由导热系数小于0.02瓦米开的片状材料拼接而成。进一步地，所述片状材料为钨片或硅钼片。更优选地，所述片状材料之间有空隙。

优选地，所述加热源为电加热元件。更优选地，所述电加热元件为电阻丝、电阻带、硅碳棒或硅钼棒。

优选地，所述原料室内设置有原料容器。进一步地，所述原料容器的材质为耐高温材料。更优选地，所述耐高温材料包括不锈钢、钼和高纯石墨。最优选地，所述耐高温材料为不锈钢。

本发明的有益效果如下：

通过卧式结构及回转式析出基体的设计，使得析出比表面积更大，热传导效率更高，分区温度控制更加精确，析出产能及品质更高；同时，对于升华气体进行惰性气流撞击及导向控制，有助于提高析出颗粒粒径分布的一致性。

附图说明

图1是根据本发明的SiO粉末的制造装置的一个较佳实施方式的结构示意图；

图2是本发明中的气流导向部件的一个较佳实施方式的结构示意图；

图3是本发明中的回转式析出基体的一个较佳实施方式的结构示意图。

其中：

1-真空室，2-温度控制系统，21-热电偶，22-加热源，3-气体流动方向控制组件，31-气体入口，32-气流导向部件，321-气管接头，322-气孔，33-气体排出口，4-原料室，5-隔热组件，6-冷却水系统，61-原料室冷却水系统，611-原料室冷却水进口，612-原料室冷却水出口，62-析出室冷却水系统，621-析出室冷却水进口，622-析出室冷却水出口，63-析出基体冷却水系统，631-析出基体冷却水进口，632-析出基体冷却水出口，64-真空室冷却水系统，641-真空室冷却水进口，642-真空室冷却水出口，7-密封组件，8-回转式析出基体，81-转动轴，82-内置冷却水管道口，9-析出室，10-析出物，11-原料，12-原料容器。

具体实施方式

在本发明的SiO粉末的制造方法的一个较佳的实施方式中：

将经过前端处理的硅粉末及二氧化硅粉末混合原料加热至1250～1350℃；升华后的SiO气体在氩气的保护及导向下，在析出基体的外表面上均匀析出，氩气的流速维持在1～5m/s；降温后，将沉积在析出基体外表面的SiO粉末剥离将在所述析出基体的外表面上析出的SiO剥离得到所述的SiO粉末。

在其它较佳的实施方式中，也可以使用氮气或氦气作为保护气体。

如图1所示的是本发明的SiO粉末的制造装置的一个具体的实施方式，该SiO粉末的制造装置包括真空室1、密封组件7、原料室4、隔热组件5、析出室9、温度控制系统2和冷却水系统6，其中，原料室4与析出室9水平相对设置为卧式，两者通过密封组件7连接，密封组件7实现了原料室4和析出室9与外部的密封隔离，确保升华的原料气体不会向外部空间溢出或沉积。

如图1所示的SiO粉末的制造装置的具体实施方式还包括气体流动方向控制组件3，气体流动方向控制组件3包括气体入口31、气流导向部件32以及气体排出口33，在本实施方式中，气体排出口33也用作真空口。惰性气体如氩气或氦气通过气体入口31，经过气流导向部件32均匀吹入原料室4，流经析出室9，通过气体排出口33排出，同时，原料室4升华的原料气体在惰性气流的导向作用下，在析出室9冷却沉积于析出基体外表面。

本发明的一个具体的实施方式中，如图2所示，气流导向部件32的一侧为气管接头321，另一侧具有均匀排列、孔径一致的气孔322，并且气流导向部件32被设置为具有气孔322的一侧朝向析出室9。气管接头321与气体入口31对接，当惰性气体通过气体入口31进入气流导向部件32后，通过气孔322使气流方向被控制为朝向析出室9。在本发明的另一个较佳的实施方式中，气流导向部件32为耐高温不锈钢管。通过控制惰性气流的流速，加热升华的原料气体在气流的均匀撞击下，析出物颗粒粒径一致性可得到改善，气流导向部件32的材质为耐高温的金属管。在其它较佳的实施方式中，气流导向部件32的材质为不锈钢、镍基合金或钛合金。

如图1所示的SiO粉末的制造装置的具体实施方式还包括两套温度控制系统2，分别独立控制原料室4和析出室9的温度。优选地，温度控制系统包括加热源22、热电偶21。可以精确、快速地控制原料室和析出室温度的温度。在本发明的另一较佳的实施方式中，加热源22为电加热元件。在本发明的其它实施方式中，加热源22可以为电阻丝、电阻带、硅碳棒或硅钼棒。

如图1所示的SiO粉末的制造装置的具体实施方式还包括冷却水系统6，冷却水系统6包括原料室冷却水系统61，析出室冷却水系统62，析出基体冷却水系统63，真空室冷却水系统64，分别实现对原料室4、析出室9、回转式析出基体8和真空室1的冷却；对原料室4的冷却水系统包括冷却水进口611和冷却水出口612；对析出室9的冷却水系统包括冷却水进口621和冷却水出口622；对回转式析出基体8的冷却水系统包括冷却水进口631和冷却水出口632。对真空室1的冷却水系统包括冷却水进口641和冷却水出口642。

本发明的SiO粉末的制造装置的另一个具体的实施方式中，如图3所示，回转式析出基体8为圆筒形结构，能够沿转动轴81匀速旋转。回转式析出基体8的析出比表面积较平板式析出基体大的多，可提供更高的单批次产率。同时回转式析出基体为动态析出基体，相比静态的析出基体，更有利于将原料冷却析出过程的热量集中区迅速的转移并实现析出物的均匀沉积，实现更高精度的温度控制，有利于提高SiO粉末析出的品质及产率；回转式析出基体8具有内置冷却水管道口82，工作时与析出基体冷却水系统63对接，在通入冷却水时进行迅速热传导促进原料气体迅速冷却析出。

在其他较佳的具体实施方式中，原料室4与析出室9的材质相同，均为耐高温材料。适用的耐高温材料包括石英玻璃、钨片、耐高温不锈钢、碳化硅和氧化铝。在其他的更优选的具体实施方式中，选择的耐高温材料为石英玻璃或钨片。

如图1所示的SiO粉末的制造装置的具体实施方式，原料室4内设置有原料容器12。在其它的较佳的实施方式中，原料容器12的的材质为耐高温材料。适用的耐高温材料包括不锈钢、钼和高纯石墨。在其他的更优选的具体实施方式中，选择的耐高温材料为不锈钢。

如图1所示的SiO粉末的制造装置的具体实施方式，隔热组件5由导热系数小于0.02瓦米开的片状材料拼接而成。可选的片状材料包括钨片和硅钼片。在其他的更优选的具体实施方式中，片状材料之间有空隙。

下面结合图1描述本发明的SiO粉末的制造装置的工作原理：

工作时，经过前端处理的硅粉末及二氧化硅粉末混合原料11被放置于原料容器12中，从气体出口33对真空室1实施抽真空处理，达到设定真空后，从气体入口31通入惰性气体，而后调节惰性气体流速及真空流量，保持真空室内稳定的气氛及真空度，通过加热源22开始对原料室4及析出室9分别进行加热，通过热电偶21及原料室及析出室的冷却管道611、612、621、622实现对原料室及析出室的精确控温，隔热组件5对高温原料室及低温的析出室分别进行隔热，实现高低温分区控制。原料11经过加热升华后的气体在气流导向部件32吹出的惰性气体气流的导向下均匀吹向析出室9，并迎面撞向回转式析出基体8外表面，通过设置于回转式析出基体内部的冷却管道631、632将原料气体析出产生的热量迅速带走，回转式析出基体8围绕转动轴81匀速转动，使得原料气体在回转式析出基体8外表面均匀沉积。通过密封件7实现原料室4及析出室9两者与外部的密封隔离，实现升华的原料气体不会向外部空间溢出或沉积。最后在设备降温后，通入惰性气体，打开真空室，将析出物SiO粉末剥离取出。实现SiO粉末的制备过程。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的惰性范围内。

Claims (25)

1.一种SiO粉末的制造方法，包括如下步骤：将硅粉末和二氧化硅粉末混合后加热至升华出气态的SiO；所述气态的SiO在惰性气体的保护下，在析出基体的外表面上析出；降温后，将在所述析出基体的外表面上析出的SiO剥离得到所述的SiO粉末；其特征在于，

所述析出基体在所述气态的SiO析出过程中是旋转的；所述析出基体为回转式析出基体，所述回转式析出基体为圆筒形结构，能够绕转动轴匀速旋转；所述析出基体在水平方向上与被混合加热的硅粉末和二氧化硅远离，升华出的气态的SiO在惰性气体的带动下，流向所述析出基体并在其上析出；并对原料室和析出室进行精确控温。

2.如权利要求1所述的SiO粉末的制造方法，其特征在于，所述加热指加热到1250～1350℃。

3.如权利要求1所述的SiO粉末的制造方法，其特征在于，所述惰性气体包括氮气、氩气和氦气。

4.如权利要求1所述的SiO粉末的制造方法，其特征在于，所述惰性气体的流速为1～5m/s。

5.如权利要求1所述的SiO粉末的制造方法中使用的制造装置，其特征在于，所述制造装置还包括气体流动方向控制组件，原料室与析出室相对水平设置。

6.如权利要求5所述的制造装置，其特征在于，所述气体流动方向控制组件包括气体入口、气流导向部件以及气体排出口。

7.如权利要求6所述的制造装置，其特征在于，所述气流导向部件的一侧具有孔径一致、排布均匀的气孔。

8.如权利要求7所述的制造装置，其特征在于，所述气流导向部件被设置为具有气孔的一侧朝向析出基体。

9.如权利要求6所述的制造装置，其特征在于，所述气流导向部件的材质为耐高温金属。

10.如权利要求5所述的制造装置，其特征在于，包括两套温度控制系统，分别独立控制原料室和析出室的温度。

11.如权利要求10所述的制造装置，其特征在于，所述温度控制系统包括加热源、热电偶。

12.如权利要求5所述的制造装置，其特征在于，包括四套冷却水系统，分别实现对真空室、原料室、析出室和析出基体的冷却。

13.如权利要求12所述的制造装置，其特征在于，所述冷却水系统包括冷却水进口和冷却水出口。

14.如权利要求5所述的制造装置，其特征在于，所述回转式析出基体内布置有冷却水管道。

15.如权利要求5所述的制造装置，其特征在于，所述原料室与所述析出室的材质相同，均为耐高温材料。

16.如权利要求15所述的制造装置，其特征在于，所述耐高温材料包括石英玻璃、钨片、耐高温不锈钢、碳化硅和氧化铝。

17.如权利要求15所述的制造装置，其特征在于，所述耐高温材料为石英玻璃或钨片。

18.如权利要求5所述的制造装置，其特征在于，包括隔热组件，所述隔热组件连接所述原料室和所述析出室，所述隔热组件由导热系数小于0.02瓦米开的片状材料拼接而成。

19.如权利要求18所述的制造装置，其特征在于，所述片状材料为钨片或硅钼片。

20.如权利要求11所述的制造装置，其特征在于，所述加热源为电加热元件。

21.如权利要求20所述的制造装置，其特征在于，所述电加热元件为电阻丝、电阻带、硅碳棒或硅钼棒。

22.如权利要求5所述的制造装置，其特征在于，所述原料室内设置有原料容器。

23.如权利要求22所述的制造装置，其特征在于，所述原料容器的材质为耐高温材料。

24.如权利要求23所述的制造装置，其特征在于，所述耐高温材料为不锈钢、钼或高纯石墨。

25.如权利要求23所述的制造装置，其特征在于，所述耐高温材料为不锈钢。