CN109616617B - 一种泡沫导电网/硅负极材料制备装置及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种硅负极材料制备装置及控制方法，以泡沫导电网/氧化硅/镁和氯化铝反应制备硅负极材料，设计三层、双密封的制备装置，设计穿插式、多孔的反应槽和氯化铝蒸发器，设计氯化铝回收的废物收集罐；通过控制装置反应温度和氯化铝的过量，提高硅负极材料的反应速率。本发明制备装置结构简单、控制方便，氯化铝回收再利用，节省了生产成本。该发明制备的硅负极材料具有很好的电化学性能,在锂离子电池领域具有很好的应用前景。

Description

一种泡沫导电网/硅负极材料制备装置及控制方法
技术领域
本发明属于电化学电源领域，具体涉及一种泡沫导电网/硅负极材料制备装置及控制方法。
背景技术
镁与氧化硅反应是制备硅负极材料常用的一种方法。但镁与氧化硅反应温度很高，需在6500C才能发生。在镁与氧化硅混合物中加入盐，可有效降低镁与氧化硅反应的温度。
Bao ZH (Bao ZH, Weatherspoon MR, Shian S. Chemical reduction ofthree-dimensional silica-micro-asaemblesi into micro-porous silicon replicas,Nature, 2007, 446: 172-175.)采用镁与氧化硅在6500C高温反应，制备多孔硅负极材料，该材料具有很高的电化学容量。
Liu XF(Liu XF,Giordano C,Antonietti.A molten-salt route for synthesisof Si and Ge nanoparticles: chemical reduction of oxides by electronssolvated in salt melt, J Materials Chemistry,2012, 22, 5454-5459.)采用LiCl-KCl添加剂有效降低镁与氧化硅的反应温度，在5500C制备的硅负极材料，具有比较高的电化学容量。
最近，中国科技大学钱逸泰（Lin N, Han Y, Zhou J, Zhu YC, Qian YT.A lowtemperature molten salt process for aluminothermic reduction of siliconoxides to crystalline Si for Li-ion batteries, Energy& Environmental Science,2015,8, 3187-3191）采用镁、二氧化硅和氯化铝反应制备硅负极材料，反应温度可降到2000C；在2500C制备的多孔硅在0.5 A g-1电流密度下，电化学容量达到2663 mAh g-1。具体方程式见如下:
3Mg+2AlCl3=3MgCl2+2Al*
2Al*+2SiO2=Al2O3+Si1-x+SiOx
显然，采用镁与氧化硅、氯化铝反应在多孔泡沫导电网表面沉积硅，可简化电极片制备步骤，而且可减少粘结剂的使用。但很少文献报到泡沫导电网/硅负极材料的制备装置及控制方法。
发明内容
本发明目的在于提供一种泡沫导电网/硅负极材料制备装置及控制方法，克服现有制备技术的缺陷，降低硅电极制备成本，提高锂离子电池负极的电化学容量。为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：
一种泡沫导电网/硅负极材料制备装置,包括主体、盖体和废物收集罐；其特征在于：主体为前后相通的四面体；主体设有三层，第一层外体、第二层隔热层和第三层金属层；第三层金属层设有对称的5～20对凹层；凹层可插入反应槽，反应槽面积为0.2～1平方米，反应槽表面均匀分布微孔，反应槽一侧设有挡板，挡板高度与凹层间隔相等；主体底部设有蒸发槽；蒸发槽正下方设有加热装置；主体前侧和后侧设有盖体，盖体也设有外体、隔热层和金属层；主体前侧盖体底部设有进气管，进气管连接阀、氮气气瓶和真空泵，主体后侧盖体上部设有出气管，出气管连接阀和废物收集罐顶部；废物收集罐外侧包有冷凝管，上侧设有废气出口；主体和盖体的外体和隔热层均设有耐高温密封垫片；主体的外体和盖体的外体均设有固定法兰。
一种泡沫导电网/硅负极材料制备装置控制方法,包括以下步骤：
1）打开制备装置前侧和后侧盖体的固定法兰，抽出反应槽；将泡沫导电网/氧化硅/镁的压片放在反应槽表面，反应槽依次从前侧盖体和后侧盖体沿凹槽插入；取出蒸发槽，将氯化铝放入，再把蒸发槽放入制备装置主体底部；其中，镁和氧化硅的摩尔比例为2～5，镁和氯化铝的摩尔比例为1.05～4；
2）通过制备装置前侧和后侧盖体的固定法兰，封闭制备装置；开启真空泵，抽真空；
3）启动加热装置；制备装置温度控制在200～3000C；反应时间控制在2～10h；
4）开启氮气气瓶、进气管连接阀和出气管连接阀；
5）通气0.5～5h；关闭加热装置，自然冷却至常温；关闭进气管连接阀和出气管连接阀；打开制备装置前侧和后侧盖体的固定法兰，取出产物；
6）步骤5）产物浸入盐酸溶液2～10h、清洗，获得泡沫导电网/硅负极材料。
所述的一种泡沫导电网/硅负极材料制备装置控制方法,其特征在于：步骤1）中的反应槽放入泡沫导电网/氧化硅/镁的压片1～5层。
本发明提供的一种泡沫导电网/硅负极材料制备装置及控制方法，具有如下优点：
1）本发明设计泡沫导电网/硅负极材料制备装置，将硅材料制备与电极片制备合在一起，减少了制备工艺步骤。
2）本发明工艺简单、操作方便，有利于工业化生产。
3）废弃物氯化铝可循环使用，减少制备成本，降低环境污染。
4）本发明以泡沫导电网/二氧化硅/镁固体与氯化铝蒸汽反应,制备硅负极材料，该材料具有很好的电化学性能， 0.1C、200次循环后，放电容量大于1000mAh/g。
附图说明：
图1为一种泡沫导电网/硅负极材料制备装置结构示意图。
图中，
1、外体；2、隔热层；3、金属层；4、进气管；5、废物收集罐出气口；6、废物收集罐；7、冷凝管；8、阀；9、主体后侧盖体出气管；10、蒸发槽；11、加热装置；12、反应槽；13、挡板；14、耐高温密封垫片；15、固定法兰。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参阅附图1
实施例1
一种泡沫导电网/硅负极材料制备装置,包括主体、盖体和废物收集罐；其特征在于：主体为前后相通的四面体；主体设有三层，第一层外体、第二层隔热层和第三层金属层；第三层金属层设有对称的5～20对凹层；凹层可插入反应槽，反应槽面积为0.2～1平方米，反应槽表面均匀分布微孔，反应槽一侧设有挡板，挡板高度与凹层间隔相等；主体底部设有蒸发槽；蒸发槽正下方设有加热装置；主体前侧和后侧设有盖体，盖体也设有外体、隔热层和金属层；主体前侧盖体底部设有进气管，进气管连接阀、氮气气瓶和真空泵，主体后侧盖体上部设有出气管，出气管连接阀和废物收集罐顶部；废物收集罐外侧包有冷凝管，上侧设有废气出口；主体和盖体的外体和隔热层均设有耐高温密封垫片；主体的外体和盖体的外体均设有固定法兰。
一种泡沫导电网/硅负极材料制备装置的控制方法,包括以下步骤：
1）打开制备装置前侧和后侧盖体的固定法兰，抽出反应槽；将泡沫导电网/氧化硅/镁的压片放在反应槽表面，反应槽依次从前侧盖体和后侧盖体沿凹槽插入；取出蒸发槽，将氯化铝放入，再把蒸发槽放入制备装置主体底部；反应槽放入泡沫导电网/氧化硅/镁的压片1层;
2）通过制备装置前侧和后侧盖体的固定法兰，封闭制备装置；开启真空泵，抽真空；
3）启动加热装置；制备装置温度控制在2500C；反应时间控制在5 h；
4）开启氮气气瓶、进气管连接阀和出气管连接阀；
5）通气1h；关闭加热装置，自然冷却至常温；关闭进气管连接阀和出气管连接阀；打开制备装置前侧和后侧盖体的固定法兰，取出产物；
6）步骤5）产物浸入盐酸溶液5h、清洗，获得泡沫导电网/硅负极材料。
一种泡沫导电网/硅负极材料的成分设计：
1）单片泡沫镍，100 平方厘米；厚度为1毫米，孔径为20微米，孔隙率大于95%；镁和氧化硅的摩尔比例为2.1，镁和氯化铝的摩尔比例为1.5；
该装置制备的硅负极材料，具有很好的电化学性能，0.1C、200次循环后，放电容量大于1000mAh/g。
实施例2
一种泡沫导电网/硅负极材料制备装置和成分设计同实施例1。
一种泡沫导电网/硅负极材料制备装置的控制方法,包括以下步骤：
1）打开制备装置前侧和后侧盖体的固定法兰，抽出反应槽；将泡沫导电网/氧化硅/镁的压片放在反应槽表面，反应槽依次从前侧盖体和后侧盖体沿凹槽插入；取出蒸发槽，将氯化铝放入，再把蒸发槽放入制备装置主体底部；反应槽放入泡沫导电网/氧化硅/镁的压片3层,
2）通过制备装置前侧和后侧盖体的固定法兰，封闭制备装置；开启真空泵，抽真空；
3）启动加热装置；制备装置温度控制在3000C；反应时间控制在3 h；
4）开启氮气气瓶、进气管连接阀和出气管连接阀；
5）通气2h；关闭加热装置，自然冷却至常温；关闭进气管连接阀和出气管连接阀；打开制备装置前侧和后侧盖体的固定法兰，取出产物；
6）步骤5）产物浸入盐酸溶液10 h、清洗，获得泡沫导电网/硅负极材料。
该装置制备的硅负极材料，具有很好的电化学性能， 0.1C、200次循环后，放电容量大于1000mAh/g。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (2)

1.一种泡沫导电网/硅负极材料制备装置的控制方法, 制备装置包括主体、盖体和废物收集罐；主体为前后相通的四面体；主体设有三层，第一层外体、第二层隔热层和第三层金属层；第三层金属层设有对称的5～20对凹层；凹层可插入反应槽，反应槽面积为0.2～1平方米，反应槽表面均匀分布微孔，反应槽一侧设有挡板，挡板高度与凹层间隔相等；主体底部设有蒸发槽；蒸发槽正下方设有加热装置；主体前侧和后侧设有盖体，盖体也设有外体、隔热层和金属层；主体前侧盖体底部设有进气管，进气管连接阀、氮气气瓶和真空泵，主体后侧盖体上部设有出气管，出气管连接阀和废物收集罐顶部；废物收集罐外侧包有冷凝管，上侧设有废气出口；主体和盖体的外体和隔热层均设有耐高温密封垫片；主体的外体和盖体的外体均设有固定法兰； 一种泡沫导电网/硅负极材料制备装置的控制方法包括以下步骤：
1）打开制备装置前侧和后侧盖体的固定法兰，抽出反应槽；将泡沫导电网/氧化硅/镁的压片放在反应槽表面，反应槽依次从前侧盖体和后侧盖体沿凹槽插入；取出蒸发槽，将氯化铝放入，再把蒸发槽放入制备装置主体底部；其中，镁和氧化硅的摩尔比例为2～5，镁和氯化铝的摩尔比例为1.05～4；
2）通过制备装置前侧和后侧盖体的固定法兰，封闭制备装置；开启真空泵，抽真空；
3）启动加热装置；制备装置温度控制在200～3000C；反应时间控制在2～10h；
4）开启氮气气瓶、进气管连接阀和出气管连接阀；
5）通气0.5～5h；关闭加热装置，自然冷却至常温；关闭进气管连接阀和出气管连接阀；打开制备装置前侧和后侧盖体的固定法兰，取出产物；
6）步骤5）产物浸入盐酸溶液2～10h、清洗，获得泡沫导电网/硅负极材料;
2.根据权利要求1所述的一种泡沫导电网/硅负极材料制备装置的 控制方法,其特征在于：步骤1）中的反应槽放入泡沫导电网/氧化硅/镁的压片为1～5层。
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