CN107022751B - 一种用于气相包覆的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于气相包覆的装置，包括用于盛放液体前躯体的罐体，其顶部设置有进气管、进液管和出气管，其底部设置有加热板；出气管设置有喷头，喷头插入反应腔体的一侧中，反应腔体的另一侧通过冷凝装置与引风设备连接；液体前躯体通过进液管进入到罐体内，在罐体内挥发形成气体后，和通过进气管进入罐体的气体混合，再进入出气管，并由喷头喷入到反应腔体内，与反应腔内的包覆对象进行包覆反应；在包覆反应过程中，由冷凝装置冷凝反应腔体内产生的尾气，及由引风设备将未冷凝的气体及时排出。同时本发明还提供了进行气相包覆的方法。采用本发明中的装置和方法能够实现快速、定量且高度安全可控的使用液相或气液复合前驱体的气相包覆。
Description
技术领域
本发明涉及粉体气相包覆技术领域，尤其涉及一种用于气相包覆的装置和方法。
背景技术
随着粉体技术的发展，表面包覆作为表面处理的一种，越来越受到人们的青睐。表面包覆可以在保持粉体本身性质不变的前提下赋予材料新的功能，而且由于一般的粉体材料随着粒径的减小，比表面增大，表面包覆就显得更加重要。表面包覆可分为固相和气相两种。顾名思义，固相包覆是指包覆原材料以固体的形式与粉体混合，在该过程中使其在粉体表面分散均匀。固相包覆对设备要求比较低，但是由于固相混合的局限性，很难得到非常均匀且致密的表面包覆层。而气相包覆是包覆原材料以气体的形式与粉体混合，在粉体表面分解，固化，气相包覆能够得到非常均匀的包覆层，借助如今先进的化学气相沉积技术，甚至可以在表面上得到原子尺度的均匀包覆。
然而，如今工业中气相包覆的原材料多为气体。包覆原材料固化时均需要一定温度，在常压下通气体进行反应需要很长时间才能得到较厚的包覆层，而反应时间过长会使整个生产流程的成本升高，且常温常压下为气体的物质分子结构都较小，直接用气体包覆较难得到结构致密有序的包覆层。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足提供一种用于气相包覆的装置，并同时提出了一种新的气相包覆方法，采用该装置和该方法能够实现快速、定量且高度安全可控的使用液相或气液复合前驱体的气相包覆。
第一方面，本发明提供了一种用于气相包覆的装置，包括：用于盛放液体前躯体的罐体2，罐体2的顶部设置有进气管7、进液管8和出气管9，罐体2的底部设置有加热板4；出气管9设置有喷头11，喷头11插入反应腔体12的一侧中，反应腔体12的另一侧通过冷凝装置13与引风设备14连接；液体前躯体通过进液管8进入到罐体2内，在罐体2内挥发形成气体后，和通过进气管7进入罐体2的气体混合，再进入出气管9，并由喷头11喷入到反应腔体12内，与反应腔内的包覆对象进行包覆反应；在包覆反应过程中，由冷凝装置13冷凝反应腔体12内产生的尾气，及由引风设备14将未冷凝的气体及时排出。
优选地，装置还包括温控表，所述温控表与加热板4连接，控制所述加热板4的加热温度和功率，使罐体2内部温度维持在室温至500℃。
优选地，装置还包括底部支架6，所述底部支架6位于加热板4底部；所述底部支架6设置有称重模块，所述称重模块用于监控罐体2内的液体前躯体的质量变化。
优选地，进气管7的末端具有多个微孔。
优选地，罐体2承受的最高压力为6MPa。
第二方面，本发明还提供了一种气相包覆的方法，包括：
S10，在罐体中加入液体前驱体，反应腔体内加入包覆对象；
S20，加热板通电进行加热，直至罐体内部温度到达所述液体前驱体的沸点以上的预设温度；
S30，加热反应腔体，待温度达到所述液体前躯体的裂解温度后，打开进气管和出气管，通入所需气体，包覆反应进行，同时打开引风设备及冷凝装置；
S40，待气体流量达到总量要求时，加热板停止加热，同时关闭进气管，待罐体内温度自然降温后，关闭出气管；
S50，反应腔体停止加热，待温度自然降温后，关闭引风设备及冷凝装置。
优选地，在加入液体前驱体之前需确保罐体内部温度不超过液体前驱体的沸点。
优选地，在包覆反应过程中，罐体内部温度不低于液体前驱体的沸点。
优选地，液体前驱体为气相包覆的原材料，挥发后在预设温度下分解固化。
优选地，气体包括不参与反应的载气和部分参与反应的气体。
相对于现有技术，本发明提供的用于气相包覆的装置可以使用多种液相或气液相复合的前驱体，且可以与多种反应腔体结合，快速在粉体材料表面生成致密且均匀的包覆层，后续的引凤设备及冷凝装置进一步保证了反应的安全进行，同时也减少了环境污染，具有结构简单，安全高效的优点。采用该装置和该方法能够实现快速、定量且高度安全可控的使用液相或气液复合前驱体的气相包覆。
附图说明
以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
图1为本发明一实施例提供的气相包覆装置示意图；
图2为本发明一实施例提供的气相包覆方法流程示意图；
图3为本发明实施例1和对比例1所得包覆材料的循环性能对比。
具体实施方式
下面通过附图和具体的实施例，对本发明进行进一步的说明，但应当理解为这些实施例仅仅是用于更详细说明之用，而不应理解为用以任何形式限制本发明，即并不意于限制本发明的保护范围。
本部分对本发明实验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性的描述。虽然为实现本发明目的所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的，但是本发明仍然在此作尽可能详细描述。本领域技术人员清楚，在上下文中，如果未特别说明，本发明所用材料和操作方法是本领域公知的。
图1示出了本发明一实施例气相包覆装置示意图。
如图1所示，该实施例的一种气相包覆装置，包括：用于盛放液体前躯体的罐体2，其顶部设置有进气管7、进液管8和出气管9，其底部设置有加热板4；出气管9设置有喷头11，喷头11插入反应腔体12的一侧中，反应腔体12的另一侧通过冷凝装置13与引风设备14连接。
液体前躯体通过进液管8进入到罐体2内，在罐体2内挥发形成气体后，和通过进气管7进入罐体2的气体混合，再进入出气管9，并由喷头11喷入到反应腔体12内，与反应腔内的包覆对象进行包覆反应；在包覆反应过程中，由冷凝装置13冷凝反应腔体12内产生的尾气，及由引风设备14将未冷凝的气体及时排出。优选地，装置还设置有液位计1，位于罐体2的外侧，可用于观察加入罐体2内的液体前驱体的量。
加热板4，设置于罐体2的底部，位于罐体2底部受热部位3的外侧，与直流电源相连，用于给罐体底部加热。此外，为防止防止罐体2内部的热量向外逸散，提高加热效率，在加热板4的外侧，装置还设置有保温材料5，位于加热板4的外侧，用于隔热。优选地，装置还设有温控表(未示出)，所述温控表与加热板4相连，控制所述加热板4的加热温度和功率，使罐体2内部温度维持在室温至500℃。为确保安全，在向罐体2内加入液体前驱体之前，需确保罐体2内部温度不超过液体前驱体的沸点，且温控表和加热板4不处于工作状态。
在操作过程中，因为大量气体的存在，罐体2相当于一个压力容器，优选地，罐体的最大承受压力为6MPa。为监控罐体2内的压力，防止压力超标，优选地，装置还设置有压力表及安全阀10，所述压力表及安全阀10外接泄压管道，用于监控及设定设备压力，在罐体内压力超标时自动切断装置电源。
在另一个实施例中，为了确保进气管7中的气流的稳定性，在进气管7的末端设置有多个微孔，便于气体从进气管7中进入罐体2。应用时，为控制进气量和出气量，进气管7和出气管9均与流量计(未示出)相连，通过流量计以及装置上的液位计1控制出口气流的速度和总量。
本发明采用冷凝装置和引风设备相结合的方式，来对气相包覆反应产生的气体进行处理，避免对环境的污染。其中，在一个实施例中，冷凝装置可以为在反应腔体12的气体出口处外加循环冷水套，使未反应的液体前驱体能够冷却回收，以及冷凝其他反应腔体12内产生的尾气。引风设备与冷凝装置相连，可以为外接鼓风机等方式进行，将反应生成的未冷凝的气体及时排除，进行下一步处理，以防反应腔体内产生压力。
在又一个实施例中，装置还包括底部支架6，用于支持罐体2，还可以对该装置进行改进，例如，在底部支架6上加入称重模块，时刻反应罐体2的重量变化，有利于及时掌握罐体内包覆原材料的质量变化情况。
图2示出了本发明一实施例气相包覆方法的流程示意图。如图2所示，
S10，在罐体中加入液体前驱体，反应腔体内加入包覆对象。
打开进液管，向罐体内加入所需液体前驱体，关闭进液管；同时，在反应腔体内加入包覆对象，即需要进行包覆的物质。
需要说明的是，为确保安全，在加入液体前驱体之前需确保罐体内部温度不超过所述液体前驱体的沸点，且罐体不处于加热状态。液体前驱体为气相包覆的原材料，挥发后在预设温度时分解固化，如甲苯、苯、甲基萘等。为避免发生意外，在加入液体前驱体时，需要时刻观察液位计，直至加入的液体前驱体的量达到所需要求，停止加入，关闭进液管。反应腔体内加入需要进行包覆的物质，如天然石墨粉体。
S20，加热板通电进行加热，直至罐体内部温度到达所述液体前驱体的沸点以上的预设温度。
具体地，加热板通电进行加热后，通过温控表控制加热程序和温度，直至罐体内部温度维持在所述液体前驱体的沸点以上的预设温度。
在反应过程中，因为大量气体的存在，罐体相当于一个压力容器，为保证安全，需密切关注罐体内的压力，如不超过6MPa。同时为获得较大的包覆效率，在包覆反应过程中，罐体加热温度不能低于液体前驱体的沸点。
S30，加热反应腔体，待温度达到所述液体前躯体的裂解温度后，打开进气管和出气管，通入所需气体，同时打开引风设备及冷凝装置，包覆反应进行。
需要指出的是，反应腔体与步骤S20中的加热板是同时加热的。当反应腔体内的温度达到前驱体裂解温度后，打开罐体上的进气管和出气管，通入所需气体，所需气体包括不参与反应的载气，如氮气或氩气等，也可以是部分参与反应的气体，如氢气或乙炔。液体前驱体在加热板的作用下挥发成气体，与进入罐体的气体混合进入出气管，由喷头喷入到反应腔体内，与反应腔体内的包覆对象进行包覆反应。在此过程中，通过进气管和出气管处的流量计以及液位计控制出气管处气流的速度和总量，冷凝装置对未反应的液体前驱体冷凝回收，而反应生成的却未冷凝的气体由引风装置及时排出，进行下一步处理。需要注意的是由于罐体内部有一定压力，出气管处的流量要远远大于进气管处的流量。需要说明的是，引风设备及冷凝装置与进气管是同时打开的。
S40，待气体流量达到总量要求时，加热板停止通电，同时关闭进气管，待罐体内温度自然降温后，关闭出气管。
S50，反应腔体停止加热，待温度自然降温后，关闭引风设备及冷凝装置。
下面以一个具体的例子来说明本实施例的碳包覆石墨材料的制备方法。
实施例1
第一步，由进液管向罐体内提前加入所需量的甲苯，反应腔体内加入10Kg的天然石墨粉体。
第二步，通电，加热板开始加热至罐体内温度至100℃。
第三步，反应腔体温度达到950℃后，开始包覆反应，打开冷凝装置和引风设备，打开进气管，通入氮气，载出高压的甲苯蒸汽。
第四步，通过流量计观察到甲苯达到1Kg后，停止包覆反应，关闭加热板，同时关闭进气管，待罐体内温度降至90℃以下时，关闭进气管，得到气相包覆的石墨材料。
第五步，反应腔体停止加热，待温度自然降温后，关闭引风设备及冷凝装置。
将得到的石墨材料按照常规方法制成锂离子电池负极极片，测试其电化学性能。
对比例1
取10Kg实施例1中的天然石墨粉体，与1Kg石油沥青固体，混合均匀后，在950℃条件下进行热处理，得到固相包覆的石墨材料。
将得到的石墨材料按照常规方法制成锂离子电池负极极片，测试其电化学性能。
图3为实施例1和对比例1所得包覆材料的循环性能对比，通过图3所示的实施例1和对比例1得到的两种石墨材料的容量衰减曲线，可明显看出气相包覆的天然石墨材料具有更好的循环性能。
相对于现有技术，本发明提供的用于气相包覆的装置可以使用多种液相或气液相复合的前驱体，且可以与多种反应腔体结合，通过喷头对进入反应腔体的液体或气体的分散作用，可以快速在粉体材料表面生成致密且均匀的包覆层，后续的引凤设备及冷凝装置进一步保证了反应的安全进行，同时也减少了环境污染，具有结构简单，安全高效的优点。且通过对比，可知，利用该装置和该方法不但能够实现快速、定量且高度安全可控的使用液相或气液复合前驱体的气相包覆，且获得的包覆材料具有更好的循环性能。
尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。例如，本发明中所述液体前驱体可以是多种物质的混合，其目的是达到更好的包覆作用。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种用于气相包覆的装置，其特征在于，包括：用于盛放液体前躯体的罐体(2)，所述罐体(2)的顶部设置有进气管(7)、进液管(8)和出气管(9)，所述罐体(2)的底部设置有加热板(4)；所述出气管(9)设置有喷头(11)，所述喷头(11)插入反应腔体(12)的一侧中，所述反应腔体(12)的另一侧通过冷凝装置(13)与引风设备(14)连接；
液体前躯体通过所述进液管(8)进入到所述罐体(2)内，在所述罐体(2)内挥发形成气体后，和通过所述进气管(7)进入所述罐体(2)的气体混合，再进入所述出气管(9)，并由所述喷头(11)喷入到所述反应腔体(12)内，与所述反应腔内的包覆对象进行包覆反应；其中，所述进气管(7)的末端具有多个微孔；在包覆反应过程中，由所述冷凝装置(13)对所述反应腔体(12)内未反应的液体前驱体冷凝回收，及由所述引风设备(14)将反应生成的却未冷凝的气体及时排出；
所述装置还包括：温控表和压力表及安全阀(10)；其中，所述温控表与所述加热板(4)连接，控制所述加热板(4)的加热温度和功率，使罐体(2)内部温度维持在室温至500℃；所述压力表及安全阀(10)外接泄压管道，用于监控及设定设备压力，在罐体内压力超标时自动切断装置电源；
所述装置还包括底部支架(6)，所述底部支架(6)位于所述加热板(4)底部；所述底部支架(6)设置有称重模块，所述称重模块用于监控所述罐体(2)内的液体前躯体的质量变化。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述罐体(2)承受的最高压力为6MPa。
3.一种气相包覆的方法，使用如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述方法包括：
S10，在罐体中加入液体前驱体，反应腔体内加入包覆对象；
S20，加热板通电进行加热，直至罐体内部温度到达所述液体前驱体的沸点以上的预设温度；
S30，加热反应腔体，待温度达到所述液体前躯体的裂解温度后，打开进气管和出气管，通入所需气体，包覆反应进行，同时打开引风设备及冷凝装置；
S40，待气体流量达到总量要求时，加热板停止加热，同时关闭进气管，待罐体内温度自然降温后，关闭出气管；
S50，反应腔体停止加热，待温度自然降温后，关闭引风设备及冷凝装置。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在加入液体前驱体之前需确保罐体内部温度不超过所述液体前驱体的沸点。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在包覆反应过程中，罐体内部温度不低于所述液体前驱体的沸点。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述液体前驱体为气相包覆的原材料，挥发后在预设温度下分解固化。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述气体包括不参与反应的载气和部分参与反应的气体。
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