CN213824705U - 用于制备硅碳复合材料的反应器及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及用于制备硅碳复合材料的反应器及系统，包括具有内腔的本体，所述本体的底部设有与内腔连通的进气口，本体的顶部设有与内腔连通的出气口，出气口连接有真空单元，本体上设有与内腔连通的加料口；所述内腔内设有挡板，所述挡板上设有多个通孔，所述加料口位于挡板和出气口之间；所述内腔外套有感应线圈，所述感应线圈位于本体的侧壁内。本实用新型的反应器采用感应加热代替传统的电阻加热方式，通过交变电流产生的感应磁场可直接对反应器内的石墨物料进行加热，加热速度快、效率高，且有利于反应气体优先在石墨内外表面沉积，有利于提升材料制备效率并保证产品质量。

Description

用于制备硅碳复合材料的反应器及系统

技术领域

本实用新型涉及用于制备硅碳复合材料的反应器及系统。

背景技术

目前，锂电池负极商业化以人造/天然石墨为主，但已接近其理论比容量极限（372mAh/g）。硅的理论比容量高达 4200mAh/g，是目前石墨类负极材料的 10 倍以上，不存在析锂隐患，安全性好于石墨类负极材料，且储量丰富，成本低廉，是最具潜力的下一代锂电池负极材料。然而，由于硅材料在充放电过程中与锂合金化反应，存在严重的体积效应（膨胀率可达 300%），同时由于膨胀效应会导致负极表面的SEI膜重复破裂、形成，最终导致循环性能及库伦效率较差，需改性方能应用。硅负极材料改性主要包括纳米化、碳包覆等手段形成硅碳复合材料来提升循环性能。硅纳米化有利于应力释放，当粒径＜150nm时，体积效应减弱，纳米硅在充放电过程中会膨胀但不容易破碎，可提升循环性能。主要包括纳米颗粒、纳米线、纳米片等，可以提高材料的结构稳定性，缓冲材料的体积膨胀，并且可以增加材料的活性界面；碳包覆可提升硅颗粒导电性，提升倍率性能，防止纳米硅团聚，完整的碳包覆可减小硅材料与电解液直接接触，抑制 SEI 膜过度生长，稳定界面，提升库仑效率。

硅基负极材料的制备工艺复杂，无标准化工艺，技术难度主要在硅材料纳米化及与碳材料复合的制备工艺方面，当前采用较普遍的制备方法主要有化学气相沉积法、机械球磨法、溶胶凝胶法、高温热解法，其中前两者适合于工业化生产。机械球磨法是采用砂磨机将微米硅粉研磨成纳米硅浆料后与石墨复合、再干燥后制备成硅碳复合材料，但是该工艺纳米硅研磨时间长、能耗高、且纳米硅颗粒团聚严重，工艺路线较长。化学气相沉积法制备的硅碳负极材料组分间连接紧密、结合力强，充放电过程中活性物质不易脱落，具有优良的循环稳定性，且不易出现团聚现象。

中国发明专利说明书CN107170979A、CN102214817A、CN107528055A均公开了一种采用化学气相沉积技术制备硅碳复合材料的制备方法，但是采用静态沉积，易造成颗粒材料团聚、包覆的涂层不均，从而影响材料的性能。

中国发明专利说明书CN109119627A公开了一种高性能硅碳基负极的制备方法及装置，采用振动流化气相沉积技术对硅碳基材料进行碳涂层构筑，解决了包覆涂层不均匀的问题，但未能解决纳米硅与石墨的复合问题。

综上所述，仍旧需要一种新型的制备硅碳复合材料的反应器及装置系统，克服上述缺陷，既能解决硅纳米化、硅与石墨复合、均匀包覆等问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于制备硅碳复合材料的反应器及系统，以实现高效率的均匀包覆。

为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案为：

用于制备硅碳复合材料的反应器，包括具有内腔的本体，所述本体的底部设有与内腔连通的进气口，本体的顶部设有与内腔连通的出气口，本体上设有与内腔连通的加料口；所述内腔内设有挡板，所述挡板上设有多个通孔，所述加料口位于挡板和出气口之间；所述内腔外套有感应线圈，所述感应线圈位于本体的侧壁内。

进一步地，本体的侧壁包括由内至外依次分布的内衬层、保温层、感应线圈层和外壳，所述感应线圈位于感应线圈层。

进一步地，所述内衬层由石英或石墨制成。内衬层由石墨制成时，石墨可作为感应发热层。

进一步地，所述内衬层的内表面设有碳化硅涂层。碳化硅涂层可增加内衬层的耐磨性能，同时防止内衬层掉落的杂质污染物料。

进一步地，所述感应线圈由铜质空心管制成，可选的，空心管内通有冷却水。

进一步地，还包括控温仪和与控温仪电连接的热电偶，所述热电偶伸入内腔内。

进一步地，通孔的尺寸小于从加料口加入的碳材料的尺寸。

可选的，通孔的直径为1~20μm。

基于同一发明构思，本实用新型还提供用于制备硅碳复合材料的系统，包括依次连通的混气单元、第一阀门和如上所述的反应器，所述第一阀门和反应器的进气口连通，混气单元的进口并连有惰性载气气源、用于提供含硅气体的硅源和用于提供含碳气体的碳源，反应器的出气口连通有过滤器，过滤器的出口连通有抽真空单元。

过滤器可过滤回收被气流带出的粉体。通过真空单元可快速置换反应器内气氛、同时可为反应器提供负压环境。

进一步地，所述第一阀门与进气口之间设有压力表，方便调节进入反应器的气体压力。

进一步地，所述出气口与过滤器之间设有第二阀门。

进一步地，所述混合单元内设有用于对气体进行加热的加热元件，可将不同气体更充分混合加热，可以使气体充分混合，同时快速达到反应器内设定的温度，避免冷的气体影响反应器内的温度环境，保证产品质量的稳定性。

进一步地，惰性载气气源、硅源、碳源和混气单元之间分别设有流量计。

可选的，所述过滤器为水洗式过滤器。

本实用新型的反应器中，进气口、挡板、加料口、出气口由下至上依次布置，通过进气口通入气体时，可使得挡板上方的颗粒物料达到流化状态，有利于实现均匀包覆。通过感应线圈可直接对石墨粉进行加热，且加热速度快、均匀，这样可使反应气体优先在石墨粉内及表面反应沉积。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：

（1）本实用新型的反应器可对石墨粉体进行流化，然后再通过化学气相沉积技术在石墨粉内及表面沉积硅，并包覆碳层，避免静态堆积造成的聚集结块、沉积不均匀的问题，保证硅均匀分布在石墨内及表面，包覆的碳层均匀致密。

（2）本实用新型的反应器采用感应加热代替传统的电阻加热方式，通过交变电流产生的感应磁场可直接对反应器内的石墨物料进行加热，加热速度快，效率高，且加热更为均匀，有利于提升材料制备效率并保证产品质量。

（3）本实用新型的系统能够将纳米硅制备、硅与石墨均匀复合、碳包覆结合起来，先通过硅源气体热分解成纳米硅沉积在石墨粉内及表面形成前驱体，解决了纳米硅易团聚、纳米硅与石墨混合不均匀的问题，再通过碳源气体对上述前驱体进行包覆，保证了工艺的连贯性，简化制备工艺，周期短。

（4）本实新型的系统可通过真空单元快速置换反应器内气氛、同时可为反应器提供负压环境，负压时通入硅源气体，可保证石墨粉体吸附更多硅源气体，更多纳米硅沉积在石墨内部。

（5）本实用新型的系统结构简单紧凑，生产成本低、周期短。

附图说明

图1是本实用新型第一种实施方式的反应器的局部剖面结构图。

图2是本实用新型第一种实施方式的系统的结构简图。

具体实施方式

以下将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。

参见图1和图2，用于制备硅碳复合材料的反应器，包括具有内腔6的本体1，所述本体1的底部设有与内腔6连通的进气口21，本体1的顶部设有与内腔6连通的出气口22，本体1上设有与内腔6连通的加料口8；所述内腔6内设有挡板20，所述挡板20上设有多个通孔，所述加料口8位于挡板20和出气口22之间；所述内腔6外套有感应线圈7，所述感应线圈7位于本体1的侧壁内。

本体1的侧壁包括由内至外依次分布的内衬层5、保温层4、感应线圈层3和外壳2，所述感应线圈7位于感应线圈层3。所述内衬层5由石墨制成。所述内衬层5的内表面设有碳化硅涂层。优选地，还包括与感应线圈7配套的中频感应电源，以实现中频感应加热。

所述感应线圈7由铜质空心管制成，可在空心管内通入循环水，对感应线圈起到冷却作用。

还包括控温仪9和与控温仪9电连接的热电偶10，所述热电偶10伸入内腔6内。

参见图2，用于制备硅碳复合材料的系统，包括依次连通的混气单元17、第一阀门18和如上所述的反应器，所述第一阀门18和反应器的进气口连通，混气单元17的进口并连有惰性载气气源13、用于提供含硅气体的硅源14和用于提供含碳气体的碳源15，反应器的出气口22连通有过滤器11，过滤器11的出口连通有抽真空单元12。

所述第一阀门18与进气口21之间设有压力表19。

所述出气口22与过滤器11之间设有第二阀门23。

所述混合单元17内设有用于对气体进行加热的加热元件。

惰性载气气源13、硅源14、碳源15和混气单元17之间分别独立地设有流量计16和阀门，方便进行独立控制。

物料通过加料口8加入，置于反应器底部设的挡板上方，气流通过通孔可将物料进行流化。

采用上述系统制备硅碳复合材料的过程如下：通过加料口8向反应器中加入石墨粉物料，通过真空单元12抽取反应器内空气，使其处于负压状态，停止真空单元，然后通入硅源气体或硅源气体与惰性载气的混合气，通过感应线圈7对物料进行加热，升温至硅源气体分解温度，石墨粉体吸附的及接触的硅源气体分解生成纳米硅均匀分布在石墨内部及表面，反应一段时间后通入惰性载气使石墨粉物料流化，让物料充分混料，防止物料团聚结块，此过程与前述硅沉积过程可重复多次进行，纳米硅沉积结束获得硅碳材料前驱体；再通入碳源气体，同时将反应器加热至碳源气体分解沉积温度进行气相包覆，包覆反应一段时间后通入惰性载气使物料流化，物料充分混合后停止载气通入，再次通入碳源气体进行气相包覆，重复碳沉积、流化混料、沉积过程，获得充分均匀包覆的硅碳负极材料。

碳包覆沉积过程也可采用碳源气体和惰性气体同时通入反应器中，在前驱体物料流化过程中进行碳包覆，但对与石墨烯等难稳定流化的物料采用前述方法为宜。

加入石墨粉物料，通过真空系统12抽取反应器内空气，使其处于负压状态，停止真空系统，然后通入硅源气体或硅源气体与惰性载气的混合气，通过感应线圈7对物料进行加热，升温至硅源气体分解温度，石墨粉体吸附的及接触的硅源气体分解生成纳米硅均匀分布在石墨内部及表面，反应一段时间后通入惰性载气使石墨粉物料流化，让物料充分混料，防止物料团聚结块，此过程与前述硅沉积过程可重复多次进行，纳米硅沉积结束获得硅碳材料前驱体；再通入碳源气体，同时将反应器加热至碳源气体分解沉积温度进行气相包覆，包覆反应一段时间后通入惰性载气使物料流化，物料充分混合后停止载气通入，再次通入碳源气体进行气相包覆，重复碳沉积、流化混料、沉积过程，获得充分均匀包覆的硅碳复合材料，可作为负极材料应用于锂电池。

碳包覆沉积过程也可采用碳源气体和惰性气体同时通入反应器中，在前驱体物料流化过程中进行碳包覆，但对与石墨烯等难稳定流化的物料采用前述方法为宜。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本实用新型，而不用于限制本实用新型的范围，在阅读了本实用新型之后，本领域技术人员对本实用新型的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (10)

1.用于制备硅碳复合材料的反应器，包括具有内腔（6）的本体（1），所述本体（1）的底部设有与内腔（6）连通的进气口（21），本体（1）的顶部设有与内腔（6）连通的出气口（22），本体（1）上设有与内腔（6）连通的加料口（8）；其特征在于，所述内腔（6）内设有挡板（20），所述挡板（20）上设有多个通孔，所述加料口（8）位于挡板（20）和出气口（22）之间；所述内腔（6）外套有感应线圈（7），所述感应线圈（7）位于本体（1）的侧壁内。

2.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，本体（1）的侧壁包括由内至外依次分布的内衬层（5）、保温层（4）、感应线圈层（3）和外壳（2），所述感应线圈（7）位于感应线圈层（3）。

3.根据权利要求2所述的反应器，其特征在于，所述内衬层（5）由石英或石墨制成。

4.根据权利要求2所述的反应器，其特征在于，所述内衬层（5）的内表面设有碳化硅涂层。

5.根据权利要求1-4任一项所述的反应器，其特征在于，所述感应线圈（7）由铜质空心管制成。

6.根据权利要求1-4任一项所述的反应器，其特征在于，还包括控温仪（9）和与控温仪（9）电连接的热电偶（10），所述热电偶（10）伸入内腔（6）内。

7.用于制备硅碳复合材料的系统，其特征在于，包括依次连通的混气单元（17）、第一阀门（18）和如权利要求1-6任一项所述的反应器，所述第一阀门（18）和反应器的进气口连通，混气单元（17）的进口并连有惰性载气气源（13）、用于提供含硅气体的硅源（14）和用于提供含碳气体的碳源（15），反应器的出气口（22）连通有过滤器（11），过滤器（11）的出口连通有抽真空单元（12）。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第一阀门（18）与进气口（21）之间设有压力表（19）。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述出气口（22）与过滤器（11）之间设有第二阀门（23）。

10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，惰性载气气源（13）、硅源（14）、碳源（15）和混气单元（17）之间分别设有流量计（16）。

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