CN110137446B - 纳米硅碳负极材料生产装置及生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种纳米硅碳负极材料生产装置及生产方法，涉及锂电池负极材料技术领域。包括升华沉积炉、气源系统和粉体收集器，升华沉积炉包括升华室和沉积室，升华室位于沉积室的下端位置，且升华室和沉积室连通，气源系统与沉积室连通，粉体收集器与沉积室连通；其中，升华室和沉积室能够进行单独控温。升华室加热升华出一氧化硅蒸汽，在沉积室冷凝成纳米颗粒，分散于整个沉积室内，与气源系统直接往沉积室内输入含有碳源气体混合，并受热分解，促使碳源气体在硅基颗粒上包覆一层沉积碳。包覆完成的硅碳复合材料被吸入粉体收集器内，被粉体收集器捕捉收集。通过该方式所制得的硅碳复合材料具有颗粒大小均匀，一致性高，碳包覆层厚度均匀。

Description

纳米硅碳负极材料生产装置及生产工艺

技术领域

本发明涉及锂电池负极材料技术领域，具体涉及纳米硅碳负极材料生产装置及生产工艺。

背景技术

随着锂离子电池向大型应用领域发展，锂离子能量密度等指标需要进一步的提升，在负极材料方面，传统的石墨负极理论比容量为372mAh/g，已经难以满足高能量密度电池的需求。硅基材料因高达4200mAh/g的理论比容量而备受关注，但硅基材料在充放电过程中，体积膨胀高达300%，导致硅基负极材料的可逆容量低，循环性能差。同时硅基材料本身并不导电，不能直接作为负极使用。

为了解决硅材料使用过程中存在的问题，现有的主要通过硅基材料的表面改性，硅基材料的纳米化，以及硅基材料与其他材料复合来提升硅基材料的导电率，改善硅基材料的膨胀效应。如硅碳材料被广泛应用于锂电池的负极材料。

现有的硅碳负极材料制备技术，大多是将纳米硅粉或者一氧化硅粉末与碳源粉末混合烧结制得，部分厂家所采用的气相沉积工艺也是直接往硅基材料的粉体内通入碳源气体来进行沉积碳的包覆。上述这两种工艺均存在硅基粉体团聚，包覆不均匀的一系列的缺陷，影响硅碳负极的使用性能。

发明内容

（一）解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种纳米硅碳负极材料生产装置及生产工艺，解决了硅碳材料制备过程中，硅基粉体团聚，包覆不均匀的技术问题。

（二）技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种纳米硅碳负极材料生产装置，包括：

升华沉积炉，所述升华沉积炉包括升华室和沉积室，所述升华室位于所述沉积室的下端位置，且所述升华室和沉积室连通；

气源系统，所述气源系统与所述沉积室连通；

粉体收集器，所述粉体收集器与所述沉积室连通；

其中，所述升华室和沉积室能够进行单独控温。

优选的，所述升华室内还包括分气板，所述分气板与所述气源系统的出气口连通。

优选的，所述分气板，所述分气板包括：

竖直管道，所述竖直管道与所述气源系统的出气口连通；

上层板，所述上层板包括第一管道，所述第一管道沿着竖直管道的

外壁周向分布，且与所述竖直管道连通；

下层板，所述下层板包括第二管道，所述第二管道沿着竖直管道的

外壁周向分布，且与所述竖直管道连通；

其中所述上层板的第一管道与所述下层板的第二管道交错分布，所述第一管道和所述第二管道在靠近升华室的一侧沿着其长度方向分布有通气孔。

优选的，所述升华室和所述沉积室之间设置有保温隔热板。

优选的，所述纳米硅碳负极材料生产装置还包括：

分气装置，所述分气装置位于所述保温隔热板的靠近所述沉积室的一侧。

优选的，所述升华室内部设置装料坩埚。

优选的，所述气源系统包括：

气源罐，所述气源罐包括碳源气体罐、载气气体罐、还原性气体罐；

混气罐，所述混气罐与所述气源罐连通。

优选的，所述纳米硅碳负极材料生产装置还包括：

真空泵，所述真空泵与所述粉体收集器连通。

优选的，所述纳米硅碳负极材料生产装置还包括：

尾气处置装置，所述尾气处置装置与真空泵连接；且，所述尾气处置装置包括：

尾气燃烧器和布袋除尘器，所述燃烧器将尾气中的可燃成分燃

烧，燃烧后的尾气经布袋除尘器除去粉尘后直接排放。

另一方面，还提供一种纳米硅碳负极材料生产工艺，所述生产工艺的步骤包括：

S1，硅粉与二氧化硅粉末混合均匀，完成后装入升华室内的装料坩埚中；

S2，开启真空泵，对装置整体排气抽真空，真空度要求0.1~1000Pa；

S3，对升华室进行加热，加热温度至1000~1400℃后进行保温，在升华室加热的同时对沉积室进行加热，加热温度至600~1200℃后进行保温；

S4，气源系统往沉积室内通入工艺气体，其中碳源气体的流量为5~20L/h，载气气体的流量为15~50L/h，还原性气体的流量为0~10L/h。

（三）有益效果

本发明提供了一种纳米硅碳负极材料生产装置及生产工艺。与现有技术相比，具备以下有益效果：

本发明提供的装置，一氧化硅原料置于升华室中，通过加热升华出一氧化硅蒸汽，使得一氧化硅蒸汽直接进入沉积室冷凝成纳米颗粒，分散于整个沉积室内，气源系统直接往沉积室内输入含有碳源气体的工艺气体，碳源气体与硅基颗粒混合，并受热分解，直接在硅基颗粒上包覆一层沉积碳。包覆完成的硅碳复合材料被吸入粉体收集器内，被粉体收集器捕捉收集。通过该方式所制得的硅碳复合材料具有颗粒大小均匀，一致性高，碳包覆层厚度均匀等优点。

并且将纳米硅基材料的制备与沉积碳包覆这两道工序合二为一，集中在一台设备中进行，避免了前后道工序中间，因原料的转运，人员操作等一系列原因造成原料的浪费，杂质的带入等不利因素。

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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1 为纳米硅碳负极材料生产装置的整体结构示意图；

图2 为升华室室的局部示意图；

图3为分气板的整体结构示意图；

图4为分气板的俯视图；

图5为分气装置整体结构示意图；

图6为实施例1制备产品的电镜图；

图7为实施例1制备产品应用于电池的测试性能变化图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请实施例通过提供一种纳米硅碳负极材料生产装置及生产工艺，解决了现有硅碳材料制备过程中，硅基粉体团聚，包覆不均匀的技术问题，制备的硅碳材料碳包覆层厚度均匀，颗粒更加均匀。

本申请实施例中的技术方案为解决上述串扰的问题，总体思路如下：该装置由升华沉积炉、气源系统、粉体收集器组成，将纳米硅基材料的制备与沉积碳包覆这两道工序合二为一，集中在一台设备中进行，避免了前后道工序中间，因原料的转运，人员操作等一系列原因造成原料的浪费，杂质的带入等不利因素；通过该工艺，升华室内升华出的SiO_x蒸汽直接进入沉积室冷凝成纳米颗粒，分散于整个沉积室内，气源系统直接往沉积室内输入含有碳源气体的工艺气体，碳源气体与硅基颗粒混合，并受热分解，直接在硅基颗粒上包覆一层沉积碳。通过该方式所制得的硅碳复合材料具有颗粒大小均匀，一致性高，碳包覆层厚度均匀等优点。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

如图1~3所示，一种纳米硅碳负极材料生产装置包括升华沉积炉、气源系统和粉体收集器6；所述升华沉积炉包括升华室1和沉积室2，所述升华室1位于所述沉积室2的下端位置，且所述升华室1和沉积室2连通；所述气源系统与所述沉积室2连通；所述粉体收集器6与所述沉积室2连通；

其中，所述升华室1和沉积室2能够进行单独控温。

上述实施例在具体实施过程中，一氧化硅原料至于升华室1中，通过加热升华出一氧化硅蒸汽，使得一氧化硅蒸汽直接进入沉积室2冷凝成纳米颗粒，分散于整个沉积室2内，气源系统直接往沉积室2内输入含有碳源气体的工艺气体，碳源气体与硅基颗粒混合，并受热分解，直接在硅基颗粒上包覆一层沉积碳。包覆完成的硅碳复合材料被吸入粉体收集器6内，被粉体收集器6捕捉收集。通过该方式所制得的硅碳复合材料具有颗粒大小均匀，一致性高，碳包覆层厚度均匀等优点。

并且将纳米硅基材料的制备与沉积碳包覆这两道工序合二为一，集中在一台设备中进行，避免了前后道工序中间，因原料的转运，人员操作等一系列原因造成原料的浪费，杂质的带入等不利因素。

具体实施过程中，所述升华室内1还包括分气板5，所述分气板5与所述气源系统的出气口连通。打开气源系统，往沉积室2内通入工艺气体，工艺气体经所述分气板5后均匀分散到沉积室2中。

具体实施过程中，如图2~4所示，所述分气板5包括竖直管道503、上层板501和下层板502，所述竖直管道503与所述气源系统的出气口连通；所述上层板501包括第一管道5011，所述第一管道5011沿着竖直管道503的外壁周向分布，且与所述竖直管道503连通；所述下层板502包括第二管道5021，所述第二管道5021沿着竖直管道503的外壁周向分布，且与所述竖直管道503连通；其中所述上层板501的第一管道5011与所述下层板502的第二管道502交错分布，所述第一管道5011和所述第二管道5021在靠近升华室1的一侧沿着其长度方向分布有通气孔。

当所述气源系统的气体进入分气板5的竖直管道503中，再经过上层板501的第一管道5011和下层板502的第二管道5021上的通气孔均匀的分散至沉积室2内。通过双层的分气板，以及交错分布第一管道5011与第二管道502使得气体分布更加均匀。

具体的，所述第一管道5011和第二管道5021均为方形管道，如图4所示，所述第一管道5011和第二管道5021均为倾斜设置，且第一管道5011和第二管道5021的倾斜方向不同，如此一方面可以提供气体的分布面积，另外方面可以促进气流旋转，使得气体分布更加均匀。

具体的，该分气板5的材质可以是耐热钢、石墨、碳碳复合材料、碳陶复合材料、碳化硅材料等中的一种；

升华室1和沉积室2均可单独控温，当升华室1内的一氧化硅蒸汽经分气装置进入沉积室2后，开始往炉内通入含有碳源气体的工艺气体。一氧化硅蒸汽在分气板5的作用下分散于整个沉积室内并冷凝成纳米颗粒，通入沉积室内的碳源气体受热分解，直接在纳米硅基颗粒上包覆上一层沉积碳。

具体实施过程中，所述升华室1和所述沉积室2之间设置有保温隔热板101。所述保温隔热板101采用隔热保温材料制备。

具体实施过程中，如图1所示，所述装置还设有分气装置4，所述分气装置4位于所述保温隔热板的靠近所述沉积室2的一侧。具体的，所述分气装置4的结构如图5所示，所述分气装置4包括上端部分气端401和下端部分连接端402，所述分气端401内设有空腔，且分气端401沿着周向设置有分气孔403，从而通过分气孔403使得分气端401与沉积室2形成气流连通；所述连接端402与所述气端401连通，所述连接端402的进口端贯穿所述保温隔热板与所述升华室1连通；

具体的，该分气装置4的材质为石墨、氧化铝、氧化锆、氮化硼、碳陶复合材料中的一种；

具体实施过程中，所述粉体收集器6内布设有气流通道。粉体收集器6是用于捕捉收集包覆完的粉体，包覆完成的硅碳粉体在真空的作用下被吸入粉体收集器6内，粉体收集器6内布置有气流通道，延长气体在收集器内的滞留时间，便于捕捉和收集粉体。

具体实施过程中，所述升华室1内部设置装料坩埚3，用于装料反应。该装料坩埚3材质为氧化铝、氧化锆、氮化硼、碳陶复合材料中的一种。

具体实施过程中，所述气源系统包括气源罐和混气罐，所述气源罐包括碳源气体罐10、载气气体罐11、还原性气体罐12；所述混气罐9与所述气源罐连通，气源罐中的碳源气体、载气气体、还原性气体的一种或多种进入混气罐9混合，然后再通往沉积室2，为了便于对气体流量的监控可控制，还设置阀门与流量计13，以随时监控气体的流量进入控制气体的流量。

具体的，气源系统中的碳源气体可以是天然气、丙烯气、丙烷气、乙炔气等碳氢气体中的一种或多种；气源系统中的载气气体可以是高纯氮气、高纯氩气中的一种；气源系统中的还原气体可以是氢气、一氧化碳气中的一种。

具体实施过程中，为了方便对装置进行抽真空，所述纳米一氧化硅材料生产装置还包括真空泵7，所述真空泵7与所述粉体收集器6连通。

具体实施过程中，所述纳米一氧化硅材料生产装置还包括尾气处置装置8，所述尾气处置装置8与所述真空泵7连接；所述尾气处置装置8包括尾气燃烧器和布袋除尘器，所述燃烧器可以将尾气中的可燃成分燃烧，燃烧后的尾气经布袋除尘器除去粉尘后直接排放。

本发明实施例还提供一种纳米一氧化硅材料生产工艺，所述生产工艺的步骤包括：

S1，硅粉与氧化硅粉末混合均匀，完成后装入升华室内的装料坩埚中；

S2，开启真空泵，对装置整体排气抽真空，真空度要求0.1~100Pa；

S3，对升华室进行加热，加热温度至1000~1400℃后进行保温，在升华室加热的同时对沉积室进行加热，加热温度至600~1200℃后进行保温；

S4，气源系统往沉积室内通入工艺气体，其中碳源气体的流量为5~20L/h，载气气体的流量为15~50L/h，还原性气体的流量为0~10L/h。

具体的硅粉与氧化硅粉末以摩尔比1:0.8~1混合均匀。

下面本发明实施例将采用上述结构和方法制备纳米硅碳负极材料：

实施例1：

（1）将硅粉与二氧化硅粉末以摩尔比1:0.9混合均匀，完成后装入升华室内的装料坩埚中，随后对整个装置进行排气抽真空，真空度为10Pa；

（2）对升华沉积炉进行加热，分别控制升华室1与沉积室2内的温度为1000℃与600℃；

（3）打开气源系统上的阀门，往沉积室2内通入工艺气体，其中乙炔的流量为10L/h，氮气的流量为35L/h，氢气的流量为2L/h；

（4）反应完成后打开分气收集器6，即可得到表面包覆有碳层的纳米一氧化硅。

实施例2：

（1）将硅粉与二氧化硅粉末以摩尔比1：1混合均匀后装入升华室内的装料坩埚中；随后对整个装置抽真空，真空度为5Pa；

（2）对升华沉积炉进行加热，分别控制升华室与沉积室内的温度为1400℃与1200℃；

（3）打开气源系统上的阀门，往沉积室内通入工艺气体，其中天然气的流量为15L/h，氮气的流量为30L/h，氢气的流量为2L/h；

（4）反应完成后打开分气收集器6，即可得到表面包覆有碳层的纳米一氧化硅。

对实施例1制备的产品进行检测，经测试该材料外层的碳包覆层完整严实，产品电镜如图6、图7。用于电池测试，100%纯产品首次充放电效率高，可达80%以上，循环性能优良，如图7。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种纳米硅碳负极材料生产装置，其特征在于，包括：

升华沉积炉，所述升华沉积炉包括升华室和沉积室，所述升华室位于所述沉积室的下端位置，且所述升华室和沉积室连通；

气源系统，所述气源系统与所述沉积室连通；

粉体收集器，所述粉体收集器与所述沉积室连通；

其中，所述升华室和沉积室能够进行单独控温；

所述升华室内还包括分气板，所述分气板与所述气源系统的出气口连通；

所述分气板包括：

竖直管道，所述竖直管道与所述气源系统的出气口连通；

上层板，所述上层板包括第一管道，所述第一管道沿着竖直管道的

外壁周向分布，且与所述竖直管道连通；

下层板，所述下层板包括第二管道，所述第二管道沿着竖直管道的

外壁周向分布，且与所述竖直管道连通；

其中所述上层板的第一管道与所述下层板的第二管道交错分布，所述第一管道和所述第二管道在靠近升华室的一侧沿着其长度方向分布有通气孔；

所述第一管道和第二管道均为方形管道，所述第一管道和第二管道均为倾斜设置，且第一管道和第二管道的倾斜方向不同。

2.如权利要求1所述的纳米硅碳负极材料生产装置，其特征在于，

所述升华室和所述沉积室之间设置有保温隔热板。

3.如权利要求2所述的纳米硅碳负极材料生产装置，其特征在于，所述纳米硅碳负极材料生产装置还包括：

分气装置，所述分气装置位于所述保温隔热板的靠近所述沉积室的

一侧。

4.如权利要求1所述的纳米硅碳负极材料生产装置，其特征在于，

所述升华室内部设置装料坩埚。

5.如权利要求1所述的纳米硅碳负极材料生产装置，其特征在于，

所述气源系统包括：

气源罐，所述气源罐包括碳源气体罐、载气气体罐、还原性气体罐；

混气罐，所述混气罐与所述气源罐连通。

6.如权利要求1所述的纳米硅碳负极材料生产装置，其特征在于，所述纳米硅碳负极材料生产装置还包括：

真空泵，所述真空泵与所述粉体收集器连通。

7.如权利要求6所述的纳米硅碳负极材料生产装置，其特征在于，所述纳米硅碳负极材料生产装置还包括：

尾气处置装置，所述尾气处置装置与真空泵连接；且，所述尾气处置装置包括：

尾气燃烧器和布袋除尘器，所述燃烧器将尾气中的可燃成分燃烧，燃烧后的尾气经布袋除尘器除去粉尘后直接排放。

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