CN107176609A - 一种大产量低成本生产氧化亚硅的汽化沉积设备 - Google Patents

Abstract

一种大产量低成本生产氧化亚硅的汽化沉积设备，本发明涉及一氧化硅生产设备技术领域；炉墙上设有烧嘴和与之配套的蓄热体；烧嘴上连接有风管，风管与鼓风机和引风机连接，鼓风机和引风机之间的连接风管上设有换向阀；所述的沉积反应器插设在炉窖内；沉积反应器由沉积反应器物料反应段和沉积反应器产品沉积段构成；沉积反应器物料反应段与沉积反应器产品沉积段焊接连接，物料设置在沉积反应器物料反应段内。单体生产设备单产可以达到500‑600公斤，并大幅度降低SiO的生产成本，较目前国内外同类产品相比具有极强的市场竞争力，为SiO在硅基复合负极材料的大规模应用奠定坚实的原始材料基础。

Description

一种大产量低成本生产氧化亚硅的汽化沉积设备

技术领域

本发明涉及一氧化硅生产设备技术领域，具体涉及一种大产量低成本生产氧化亚硅的汽化沉积设备。

背景技术

氧化亚硅，又名一氧化硅，是黑棕色到黄土色无定形粉末，白色立方晶体，结构为空间网状，不会自燃，不溶于水，熔点大于1702摄氏度，沸点是1880摄氏度，密度是2.13g/立方厘米。SiO是一种不稳定的硅氧化物，在空气中加热时会形成白色的二氧化硅粉末。 SiO其实并不是一个纯化合物，它实际上是非晶态的纳米Si颗粒通过特殊的合成方法均匀地分散到无定形的SiO2体相中形成的一种纳米复合材料，SiO的储锂容量来自于分散在SiO2里面的纳米Si颗粒。氧化亚硅的主要用途：用于光学玻璃和半导体材料；作为精细陶瓷合成原料，如氮化硅、碳化硅精细陶瓷粉末原料；蒸发涂覆在光学仪器的金属反射镜面上作保护膜；锂离子电池的高容量负极材料。

近年来，由于智能手机、平板电脑的快速普及，尤其是在国家大力发展新能源电动汽车的政策鼓舞下，锂离子电池的市场进入了快速发展通道，同时，随着新能源汽车的飞速发展，必须要大幅度提高动力锂离子电池的能量密度。工信部主导制定的《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020年）》中明确提出，2020年动力电池模块比能量要达到300Wh/kg。这意味着电芯能量密度至少要在350Wh/kg以上，同时成本降低一半，达到1元/Wh以下（指电芯）。因此，随着新能源汽车在实际应用中对续航里程要求的不断提高，目前的材料体系明显已无法实现这些目标，难以满足现实需求，大规模研发并推广应用新型高能量高性能材料迫在眉睫。

具体而言，提升动力锂离子电池的能量密度的问题就变得异常迫切。负极材料是锂离子电池的重要组成部分，它直接影响着电池的能量密度、循环寿命和安全性能等关键指标。目前氧化亚硅（SiO）负极材料是业界认为最有希望产业化的新一代高容量硅基负极材料。SiO 负极材料的比容量为2400 mAh/g，实际可逆容量在1500mAh/g以上，而石墨的理论比容量仅为372mAh/g。与石墨负极材料相比，硅基负极材料的能量密度优势明显。石墨的理论能量密度是372 mAh/g，而硅负极的理论能量密度超其10倍，高达4200mAh/g。硅碳复合材料能大大提升单体电芯的容量，有效缓解业内对电动汽车续航里程的担忧。

资料显示，美国特斯拉Tesla发布的Model 3电动汽车就采用了硅碳负极作为动力电池新材料，即日本松下新一代高容量18650电池，负极采用了少量SiO（～10%）混合人造石墨，通过在人造石墨中加入10%的硅基材料，特斯拉让电池容量达到了550mAh/g以上，电池能量密度可达300wh/kg；日本GS汤浅公司已推出采用硅基负极材料的锂电池，并成功应用在了三菱汽车上；此外，日本三井金属也雄心勃勃地要将硅负极锂电池推向消费电子和电动汽车两大领域。

氧化亚硅的生产采用汽化沉积法，其反应式为: SiO2+Si=2SiO 。由于氧化亚硅的生产条件非常苛刻，目前国内SiO粉体的工业化生产主要是在八十年代的实验室基础上延用半导体工业的高温蒸发工艺，生产设备产量小，单体生产设备单产仅为5-10公斤，生产使用电加热方式，耗能高，导致生产成本非常高。日本企业改进了SiO生产方法，通过高能球磨纳米/微米级的Si粉和SiO2颗粒然后热处理得到SiO粉体，再进行额外的碳包覆（有机碳源热解或者CVD包覆）来提高材料的导电性。传统的生产工艺设备决定了SiO的成本要远高于石墨类负极材料，比如日本某公司提供的样品价格高达100$/Kg，国内价格也在100RMB/Kg，虽然量产以后成本会有所下降，但价格仍然是电池厂家所关注的主要问题，居高难下的使用成本严重阻碍了SiO在硅基复合负极材料的大规模应用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种结构简单，设计合理、使用方便的大产量低成本生产氧化亚硅的汽化沉积设备，单体生产设备单产可以达到500-600公斤，并大幅度降低SiO的生产成本，较目前国内外同类产品相比具有极强的市场竞争力，为SiO在硅基复合负极材料的大规模应用奠定坚实的原始材料基础。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：它由炉窖、沉积反应器、蓄热体、烧嘴、风管、鼓风机、换向阀和引风机构成；所述的炉窖由炉墙和炉顶构成；四周炉墙的顶部设有炉顶；炉墙上设有烧嘴和与之配套的蓄热体；所述的烧嘴上连接有风管，风管与鼓风机和引风机连接，鼓风机和引风机之间的连接风管上设有换向阀；所述的沉积反应器插设在炉窖内；所述的沉积反应器由沉积反应器物料反应段和沉积反应器产品沉积段构成；沉积反应器物料反应段与沉积反应器产品沉积段焊接连接，且沉积反应器产品沉积段的外部套设有冷却水套，物料设置在沉积反应器物料反应段内；所述的沉积反应器物料反应段设置在炉窖的内部，所述的沉积反应器产品沉积段设置在炉窖的外部。

进一步地，所述的炉墙上设有数个开孔；所述的沉积反应器横插在开孔内，其中沉积反应器物料反应段设置在炉墙的内侧，且架设在炉底反应器支撑砖上，该炉底反应器支撑砖设置在四周炉墙所围成空间的底部，沉积反应器产品沉积段露设在炉墙的外部。

进一步地，所述的沉积反应器呈单面单排、单面双排、双面单排或者双面双排的形式横插在炉墙上。

进一步地，所述的炉顶上设有数个开孔；所述的沉积反应器竖插在开孔内，其中沉积反应器物料反应段设置在炉顶的内侧，沉积反应器产品沉积段露设在炉顶的外部。

进一步地，所述的沉积反应器物料反应段的内部设有耐高温提兜；物料设置于耐高温提兜内。

进一步地，所述的耐高温提兜的筒壁开设有孔，该孔为圆孔、方孔或者不规则孔。

进一步地，所述的沉积反应器物料反应段的内部设有耐高温中心管，物料设置在耐高温中心管与沉积反应器物料反应段之间的夹层内；所述的沉积反应器物料反应段的下端露设在炉底外部，且其外部设有下冷却水套，最下端设有下出口法兰。

进一步地，所述的耐高温中心管的筒壁开设有孔，该孔为圆孔、方孔或者不规则孔。

采用上述结构后，本发明有益效果为：本发明所述的一种大产量低成本生产氧化亚硅的汽化沉积设备，单体生产设备单产可以达到500-600公斤，并大幅度降低SiO的生产成本，较目前国内外同类产品相比具有极强的市场竞争力，为SiO在硅基复合负极材料的大规模应用奠定坚实的原始材料基础，本发明具有结构简单，设置合理，制作成本低等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是具体实施方式一的结构示意图。

图2是具体实施方式一的侧视图。

图3是具体实施方式二的结构示意图。

图4是具体实施方式二的侧视图。

图5是具体实施方式三的结构示意图。

图6是具体实施方式三的侧视图。

图7是具体实施方式四的结构示意图。

图8是具体实施方式四的侧视图。

图9是具体实施方式五的结构示意图。

图10是具体实施方式五的侧视图。

图11是具体实施方式六的结构示意图。

图12是具体实施方式六的侧视图。

图13是具体实施方式七的结构示意图。

图14是具体实施方式七的侧视图。

图15是具体实施方式八的结构示意图。

图16是具体实施方式八的侧视图。

附图标记说明：

炉窖1、炉墙1-1、炉顶1-2、炉底反应器支撑砖1-3、炉底1-4、沉积反应器物料反应段2、沉积反应器产品沉积段3、下出口法兰2-1、下冷却水套2-2、冷却水套4、蓄热体5、烧嘴6、风管7、鼓风机8、换向阀9、引风机10、物料11、耐高温提兜12、耐高温中心管13。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

具体实施方式一：

参看如图1和图2所示，本具体实施方式采用的技术方案是：它由炉窖1、沉积反应器、蓄热体5、烧嘴6、风管7、鼓风机8、换向阀9和引风机10构成；所述的炉窖1采用耐火材料砌筑而成，其由炉墙1-1和炉顶1-2构成；四周炉墙1-1的顶部设有炉顶1-2；炉墙1-1上设有烧嘴6和与之配套的蓄热体5；所述的烧嘴6上连接有风管7，风管7与鼓风机8和引风机10连接，鼓风机8和引风机10之间的连接风管上设有换向阀9；所述的沉积反应器由沉积反应器物料反应段2和沉积反应器产品沉积段3构成；沉积反应器物料反应段2与沉积反应器产品沉积段3焊接连接，且沉积反应器产品沉积段3的外部套设有冷却水套4，物料11设置在沉积反应器物料反应段2内；所述的沉积反应器物料反应段2设置在炉窖1的内部，所述的沉积反应器产品沉积段3设置在炉窖1的外部。

进一步地，所述的沉积反应器横插在炉窖1内；所述的炉墙1-1的左右两侧各开设有两个开孔；所述的沉积反应器呈双面双排横插在开孔内，其中沉积反应器物料反应段2设置在炉墙1-1的内侧，且架设在炉底反应器支撑砖1-3上，该炉底反应器支撑砖1-3设置在四周炉墙1-1所围成空间的底部，沉积反应器产品沉积段3露设在炉墙1-1的外部。

采用上述结构后，本具体实施方式有益效果为：本具体实施方式所述的一种大产量低成本生产氧化亚硅的汽化沉积设备，单体生产设备单产可以达到500-600公斤，并大幅度降低SiO的生产成本，较目前国内外同类产品相比具有极强的市场竞争力，为SiO在硅基复合负极材料的大规模应用奠定坚实的原始材料基础，本发明具有结构简单，设置合理，制作成本低等优点。

具体实施方式二：

参看图3和图4，本具体实施方式与具体实施方式一的不同之处在于：所述的炉墙1-1的左右两侧各开设有一个开孔，且两侧的开孔上下交错设置；所述的沉积反应器呈双面单排横插在开孔内，其余部件和连接关系均与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：

参看图5和图6，本具体实施方式与具体实施方式一的不同之处在于：所述的炉墙1-1的一侧开设有两个开孔；所述的沉积反应器呈单面双排横插在开孔内，其余部件和连接关系均与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：

参看图7和图8，本具体实施方式与具体实施方式一的不同之处在于：所述的炉墙1-1的一侧各开设有一个开孔；所述的沉积反应器呈单面单排横插在开孔内，其余部件和连接关系均与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：

参看图9和图10，本具体实施方式与具体实施方式一的不同之处在于：沉积反应器竖插在炉窖1内；所述的炉顶1-2上设有数个开孔；所述的沉积反应器竖插在开孔内，其中沉积反应器物料反应段2设置在炉顶1-2的内侧，沉积反应器产品沉积段3露设在炉顶1-2的外部；所述的沉积反应器物料反应段2的内部设有耐高温提兜12；物料11设置于耐高温提兜12内，所述的耐高温提兜12的筒壁开设有圆孔，孔的大小任意，其余部件以及连接关系均与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：

参看图11和图12，本具体实施方式与具体实施方式一的不同之处在于：沉积反应器竖插在炉窖1内；所述的沉积反应器物料反应段2的内部设有耐高温中心管13，物料11设置在耐高温中心管13与沉积反应器物料反应段2之间的夹层内；所述的沉积反应器物料反应段2的下端露设在炉底1-4的外部，且其外部与设有下冷却水套2-2，最下端设有下出口法兰2-1；所述的耐高温中心管13的筒壁开设方孔，孔的大小任意，其余部件以及连接关系均与具体实施方式一相同。

具体实施方式七：

参看图13和图14，本具体实施方式与具体实施方式二的不同之处在于：所述的炉墙1-1的左右两侧开设的孔前后交错设置，且所述的沉积反应器呈双面单排横插在开孔内，其余部件和连接关系均与具体实施方式二相同。

具体实施方式八：

参看图15和图16，本具体实施方式与具体实施方式二的不同住处在于：所述的炉墙1-1的左右两侧开设的孔相对设置，且所述的沉积反应器呈双面单排横插在开孔内，，其余部件和连接关系均与具体实施方式二相同。

以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种大产量低成本生产氧化亚硅的汽化沉积设备，其特征在于：它由炉窖、沉积反应器、蓄热体、烧嘴、风管、鼓风机、换向阀和引风机构成；所述的炉窖由炉墙和炉顶构成；四周炉墙的顶部设有炉顶；炉墙上设有烧嘴和与之配套的蓄热体；所述的烧嘴上连接有风管，风管与鼓风机和引风机连接，鼓风机和引风机之间的连接风管上设有换向阀；所述的沉积反应器插设在炉窖内；所述的沉积反应器由沉积反应器物料反应段和沉积反应器产品沉积段构成；沉积反应器物料反应段与沉积反应器产品沉积段焊接连接，且沉积反应器产品沉积段的外部套设有冷却水套，物料设置在沉积反应器物料反应段内；所述的沉积反应器物料反应段设置在炉窖的内部，所述的沉积反应器产品沉积段设置在炉窖的外部。

2.根据权利要求1所述的一种大产量低成本生产氧化亚硅的汽化沉积设备，其特征在于：所述的炉墙上设有数个开孔；所述的沉积反应器横插在开孔内，其中沉积反应器物料反应段设置在炉墙的内侧，且架设在炉底反应器支撑砖上，该炉底反应器支撑砖设置在四周炉墙所围成空间的底部，沉积反应器产品沉积段露设在炉墙的外部。

3.根据权利要求2所述的一种大产量低成本生产氧化亚硅的汽化沉积设备，其特征在于：所述的沉积反应器呈单面单排、单面双排、双面单排或者双面双排的形式横插在炉墙上。

4.根据权利要求1所述的一种大产量低成本生产氧化亚硅的汽化沉积设备，其特征在于：所述的炉顶上设有数个开孔；所述的沉积反应器竖插在开孔内，其中沉积反应器物料反应段设置在炉顶的内侧，沉积反应器产品沉积段露设在炉顶的外部。

5.根据权利要求4所述的一种大产量低成本生产氧化亚硅的汽化沉积设备，其特征在于：所述的沉积反应器物料反应段的内部设有耐高温提兜；物料设置于耐高温提兜内。

6.根据权利要求5所述的一种大产量低成本生产氧化亚硅的汽化沉积设备，其特征在于：所述的耐高温提兜的筒壁开设有孔，该孔为圆孔、方孔或者不规则孔。

7.根据权利要求4所述的一种大产量低成本生产氧化亚硅的汽化沉积设备，其特征在于：所述的沉积反应器物料反应段的内部设有耐高温中心管，物料设置在耐高温中心管与沉积反应器物料反应段之间的夹层内；所述的沉积反应器物料反应段的下端露设在炉底外部，且其外部设有下冷却水套，最下端设有下出口法兰。

8.根据权利要求7所述的一种大产量低成本生产氧化亚硅的汽化沉积设备，其特征在于：所述的耐高温中心管的筒壁开设有孔，该孔为圆孔、方孔或者不规则孔。