JP7330534B2 - ナノシリコン粉末製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、粉末製造装置の技術分野に関わり、より具体的にナノシリコン粉末製造装置に関わる。

リチウムイオン電池は、エネルギー密度が高く、サイクル寿命が長く、安全性と信頼性が高いという利点がある。リチウムイオン電池は携帯型電子機器の主な電源である。また、リチウムイオン電池は、電動工具、自転車、スクーター、鉱山用ランプ、医療機器などの分野にも広く用いられている。高出力バッテリーは、主に新エネルギー車、大電流の充放電が必要な場合に用いられる。新エネルギー車などの産業の急速な発展に伴い、大容量で高出力のリチウムイオン電池へのニーズが急増している。現在市販されている負極材は黒鉛であり、黒鉛の理論容量は３７２ｍＡｈ／ｇであるため、リチウム電池に対する容量のニーズを満たすことは困難である。リチウム電池の負極として、より容量の大きい材料を見つける必要がある。シリコンの理論容量は４２００ｍＡｈ／ｇで、黒鉛負極の容量よりはるかに大きいため、リチウムイオン電池の新しい負極材としてシリコンを用いることが研究されている。
しかし、大容量リチウムイオン電池の研究が遅れている。主要な原因としては、現在のリチウムイオン電池の正極材と負極材が既に理論容量に近づき、改善される余地がほとんどないからである。大容量リチウムイオン電池に対するニーズに応えるため、近年、大容量・低コストの新素材の研究開発がホットスポットとなっている。リチウムイオン電池の負極材に関しては、シリコンが新世代の大容量リチウムイオン電池に最も有望な負極材として注目されている。シリコンは、非常に大きな体積比容量と質量比容量を有している。シリコンは、負極材としての黒鉛と比べて、リチウムイオンの挿入脱離電位が高く、高速充放電プロセスにおけるリチウムの析出を効果的に回避でき、バッテリーの安全性を向上させることができる。しかし、体積効果の影響により、充放電プロセスにシリコン電極の構造が破壊され、活性物質が集電体から剥がれ、その結果、シリコン負極の可逆容量が低下し、サイクル性能が低下する。研究者は数多くの研究を重ねて、シリコンの粒子径が２００ｎｍ未満に減少すると、シリコンの体積効果が非常に小さくなり、リチウムイオン電池の許容レベルに達することを発見した。
従来技術では、ナノシリコン粉末の主な製造方法には、機械式ボールミル法及び様々な熱源を用いた化学蒸着法（ＣＶＤ）が含まれる。そのうち、機械式ボールミル法で製造されたシリコン粉末は、粒径分布が広く、粒径分布を制御することができず、ボールミル媒体および溶剤がシリコン粉末を汚染し、ボールミル法によって製造されたシリコン粉末の純度を低下させることがある。一般的に、ボールミル法は湿式ボールミル粉砕であるため、乾燥工程が必要となる。乾燥工程ではシリコン粉末が酸化しやすい。化学蒸着法（ＣＶＤ）は主にシランの熱分解反応に基づく方法であり、この方法で製造されたシリコン粉末は高純度で粒径分布が狭いが、シランは可燃性、爆発性、毒性の高いガスであり、輸送と保管に不便であり、生産時の条件制御が極めて厳格で、作業員に対する要求も非常に高い。シランが分解された後に、燃焼および爆発しやすい水素が生成され、また、シランが完全に分解されていない場合に、可燃性のオリゴマーシランが生成されるため、当該製造方法の安全性が低く、作業員に対して一定の中毒リスクがあると同時に、環境を汚染する有毒ガスが発生しやすい。また、シランの価格は粗粒シリコン粉末よりはるかに高いため、ＣＶＤ法によって生産されたナノシリコン粉末は製造コストが高い。

本発明は上記従来の問題点を鑑みてなされ、シリコン粉末の純度、生産量、および粒径分布の制御を大幅に改善でき、作業員および環境に悪影響を与える有毒、有害ガスの生成を抑えられるナノシリコン粉末製造装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るナノシリコン粉末製造装置は、プラズマ非移送アークトーチセット、反応釜およびコレクターを含み、前記プラズマ非移送アークトーチセットは、シリコン粉末を加熱し気化させ、前記反応釜は、気化されたシリコン粉末をナノシリコン粉末に冷却し、前記コレクターは、ナノシリコン粉末を収集する。
前記プラズマ非移送アークトーチセットは、等弧度に分布される少なくとも２つのプラズマアークトーチを含み、前記プラズマアークトーチが水平面に対して４５°～９０°の角度で配置される。
前記プラズマ非移送アークトーチセットは、２～６本のプラズマ非移送アークトーチで構成される高温プラズマアークサークルである。
前記プラズマアークトーチは３本設置され、前記プラズマアークトーチは水平面に対して４５°の角度で配置される。
前記コレクターにフィルターが設けられ、前記ナノシリコン粉末が前記フィルターでろ過された後に収集・包装される。
前記プラズマ非移送アークトーチセットに、フィーダーと給気管が接続され、前記フィーダーは前記プラズマ非移送アークトーチセットにシリコン粉末原料を投入し、加熱して気化し、前記給気管はガスを導入し、加熱による気化されたシリコン粉末原料を反応釜に吹き込み、ナノシリコン粉末に冷却される。
前記コレクターは冷却空気循環装置に接続され、前記冷却空気循環装置の出口端は前記反応釜に接続される。
前記ナノシリコン粉末の製造方法は、以下のステップを含み、
ステップ１、プラズマ非移送アークトーチセット、反応釜、コレクター、フィーダー、給気管、及び冷却空気循環装置に不活性ガスを導入し、気密試験を行い、
ステップ２、気密試験完了後に、不活性ガスを排出し、給気管を介してナノシリコン粉末製造装置に作動ガスが継続的に導入し、
ステップ３、プラズマ非移送アークトーチセット、反応釜、フィーダー、冷却空気循環装置を稼働し、フィーダーからシリコン粉末原料を投入し、ナノシリコン粉末の製造を開始し、
ステップ４、コレクターにおけるナノシリコン粉末が収集し包装する。
好ましくは、加熱源としてのプラズマ非移送アークは、プラズマ層流非移送アークである。
前記プラズマ非移送アークの電流が６０～５００Ａであり、電圧が１００～４００Ｖである。
前記プラズマ非移送アークのアーク長さは５００ｍｍを超え、アークトーチのアーク長さは３００～６００ｍｍである。
前記作動ガスは、アルゴン、水素、窒素、アンモニア及びヘリウムのうちの一つまたは複数を含み、前記プラズマアークトーチの給気量は２～２０ｍ３／ｈである。
前記シリコン粉末原料の平均粒径は５～４５μｍである。
前記シリコン粉末原料の供給量は０．３～１０ｋｇ／ｈである。
前記ナノシリコン粉末の平均粒径は２０～２００ｎｍである。
前記ナノシリコン粉末は球形であり、酸素含有量が５％未満、炭素含有量が２％未満である。
前記シリコン粉末原料は、複数のアークトーチによって形成されたメインアークの上方に投入されるのは好ましいが、メインアークの上方に限られない。
前記製造装置は、ナノシリコン粉末の製造に限らず、ナノ金属粉末の製造に用いることも可能であり、特に非導電性粉末及びセラミック粉末、例えば窒化物、炭化物などの製造に適している。

上記のように、本発明は以下の効果を有する。
１．物理蒸着法に基づき、粗粒のシリコン粉末を原料として用い、原材料のコストが削減され、有毒、有害なガスの使用と発生が防げられる。
２．製造されたナノシリコン粉末は、純度が高く、粒径分布の制御性も高く、製造プロセスが簡単で、生産量が高い。
３．複数のプラズマアークトーチを用いることにより、シリコン粉末原料の気化量が多くなり、シリコン粉末原料の均一な分布を実現し、１本のプラズマアークトーチの過大な電力による過度の正極損耗の問題を回避することができ、加熱ゾーンを増大し、シリコン粉末のガス化率を向上させることができる。

以下、添付された図面を参照しながら本発明の好ましい実施形態を説明するが、これらの図面は本発明の好ましい実施形態を説明するものであり、本発明を限定するものではない。
図１は本発明に係るナノシリコン粉末製造装置の構成を示す図である。 図２は本発明の実施例1に係るプラズマ非移送アークトーチセットの構造の概略図である。

発明を実施する形態

以下に添付図面を参照しながら、本発明のナノシリコン粉末製造装置を詳細に説明する。

なお、本発明のナノシリコン粉末製造装置は、ナノシリコン粉末の製造に限らず、ナノ金属粉末、並びに非導電性粉末、セラミック粉末、例えば窒化物、炭化物などの製造にも適している。

（実施例１）
図１に示したように、ナノシリコン粉末製造装置はプラズマ非移送アークトーチセット１、反応釜２およびコレクター３を含む。プラズマ非移送アークトーチセット１はシリコン粉末を加熱して気化させ、反応釜２は気化されたシリコン粉末をナノシリコン粉末に冷却し、コレクター３はナノシリコン粉末を収集する。
プラズマ非移送アークトーチセット１には、フィーダー４と給気管５が接続される。フィーダー４はプラズマ非移送アークトーチセット１にシリコン粉末原料を投入し、加熱して気化する。給気管５はガスを導入し、加熱により気化されたシリコン粉末原料を反応釜２に吹き込み、ナノシリコン粉末に冷却される。また、コレクター３にフィルターが設けられ、ナノシリコン粉末がフィルターでろ過された後に収集・包装される。エネルギー利用をさらに向上させ、省エネの目的を達成するため、コレクター３には冷却空気循環装置６が接続される。冷却空気循環装置６の入口と出口はコレクター３と反応釜２にそれぞれに接続される。
動作の際に、加熱により気化されたシリコン粉末原料は、ガスで反応釜２に吹き込まれ、ナノシリコン粉末に冷却され、そして、ガスに運送されてコレクター３に入り、フィルターを通過した後に収集・包装される。コレクター３内に入ったガスは冷却空気循環装置６に通じて反応釜２に導入され、これで、反応釜２によって冷却処理されたガスは再利用される。

図２に示したように、プラズマ非移送アークトーチセット１は、等弧度に分布されている少なくとも２本のプラズマアークトーチ１１を含み、プラズマアークトーチ１１が水平面に対して４５°～９０°の角度で配置される。本実施例において、プラズマアークトーチ１１は３本あり、プラズマアークトーチ１１は水平面に対して４５°の角度で配置される。

ナノシリコン粉末の製造方法は以下のステップを含む。
ステップ１、プラズマ非移送アークトーチセット１、反応釜２、コレクター３、フィーダー４、給気管５、及び冷却空気循環装置６に不活性ガスを導入し、気密試験を行う。
ステップ２、気密試験が完了した後に、不活性ガスを排出し、給気管５を介して本実施形態のナノシリコン粉末製造装置に作動ガスを継続的に導入する。
ステップ３、プラズマ非移送アークトーチセット１、反応釜２、フィーダー４、冷却空気循環装置６を稼働させ、フィーダー４からシリコン粉末原料を投入し、ナノシリコン粉末の製造を開始する。
ステップ４、コレクター３におけるナノシリコン粉末を収集し包装する。
ここで、プラズマ非移送アークトーチセット１のプラズマ非移送アークは、プラズマ層流非移送アークである。プラズマ非移送アークのアーク長さは５００ｍｍ以上であり、アークトーチのアーク長さは３００～６００ｍｍである。プラズマ非移送アークの電流は６０～５００Ａであり、電圧が１００～４００Ｖである。作動ガスは、アルゴン、水素、窒素、アンモニア及びヘリウムのうちの一つまたは複数を含み、作動ガスの給気量は２n～２０ｎｍ３／ｈである。ここで、ｎはプラズマ非移送アークトーチセット１におけるプラズマアークトーチ１１の数であり、各プラズマアークトーチ１１の作動ガスの給気量は２～２０ｍ３／ｈである。本実施形態において、プラズマ非移送アークはアーク長さが３００ｍｍであり、電流が１５０Ａであり、電圧が１５０Ｖであり、作動ガスがアルゴンであり、アルゴンガスの給気量が８ｎｍ３／ｈであり、nが３であり、即ち、アルゴンガスの給気量は２４ｍ３／ｈである。

採用されたシリコン粉末原料の平均粒径は５～４５μｍであり、シリコン粉末原料の供給量は０．３～１０ｋｇ／ｈである。これに対して、製造されたナノシリコン粉末の平均粒径は２０～２００ｎｍであり、ナノシリコン粉末は球形であり、酸素含有量が５％未満、炭素含有量が２％未満である。本実施例に用いられたシリコン粉末原料は平均粒径が２０μｍであり、シリコン粉末原料の供給量が１．２ｋｇ／ｈであり、製造られたナノシリコン粉末の平均粒径が５２ｎｍである。

シリコン粉末原料の気化率を向上させるため、シリコン粉末原料をフィーダー４に通じて複数の前記プラズマアークトーチ１１によって形成されたメインアークに投入し、更に、シリコン粉末原料をフィーダー４に通じて複数の前記プラズマアークトーチ１１によって形成されたメインアークの上方に投入する。

（実施例２）
実施例２と実施例１との相違点は、実施例２におけるプラズマアークトーチ１１が水平面に対して６０°の角度で配置されることである。

（実施例３）
実施例３と実施例１との相違点は、実施例３におけるプラズマアークトーチ１１が水平面に対して９０°の角度で配置されることである。

（実施例４）
実施例４と実施例１との相違点は、実施例４におけるプラズマ非移送アークの電流が６０Ａであり、電圧が１００Ｖであり、作動ガスがアルゴンであり、アルゴンガスの吸気量が２ｎｍ３／ｈであり、ｎが２であり、即ち、アルゴンガスの吸気量は４ｍ３／ｈである。

（実施例５）
実施例５と実施例１との相違点は、実施例５におけるプラズマ非移送アークの電流が５００Ａであり、電圧が４００Ｖであり、作動ガスがアルゴンであり、且つアルゴンガスの吸気量が２０ｎｍ３／ｈであり、ｎが６であり、即ち、アルゴンガスの吸気量は１２０ｍ３／ｈである。

（実施例６）
実施例６と実施例１との相違点は、実施例６に用いられたシリコン粉末原料の平均粒径は４５μｍであり、シリコン粉末原料の供給量は０．３ｋｇ／ｈであり、製造られたナノシリコン粉末の平均粒子径は２００ｎｍである。

（実施例７）
実施例７と実施例１との相違点は、実施例７に用いられたシリコン粉末原料の平均粒径は５μｍであり、シリコン粉末原料の供給量は１０ｋｇ／ｈであり、製造されたナノシリコン粉末の平均粒子径は２０ｎｍである。

（実施例８）
実施例８と実施例１との相違点は、実施例８におけるアークトーチのアーク長さは４５０ｍｍである。

（実施例９）
実施例９と実施例１との相違点は、実施例９におけるアークトーチのアーク長さは６００ｍｍである。

以上のように、本発明は、加熱源として複数のプラズマ非移送アークトーチを用い、１本の非移送アークトーチを用いる場合と比べて３つのメリットを有する。第１、気化量が多い。第２、原料供給時に、原料を均一に分散させてプラズマアークに投入することができるため、１本の非移送アークへ原料供給の際に、アークの中心に原材料を投入しにくくシリコン粉末が完全に気化することができない問題は避けられる。第３、同じ加熱出力に対し、１本の非移送アークトーチは、過大な出力により過度の正極損耗を引き起こし、長期間に生産を行うことができない。また、プラズマ層流非移送アークを用いると、加熱ゾーンを拡大し、原材料を完全に気化させ、気化量を増やすのに非常に役立つ。即ち、本発明に係るナノシリコン粉末の製造装置は、様々なメリットを有する。
以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。本発明の技術的思想に属する様々な実施形態は本発明の保護範囲に属する。当業者は、本発明の技術的思想から逸脱しない範囲で、以上の実施例に対して行った変更または修正は、本発明の保護範囲に属する。

１ プラズマ非移送アークトーチセット
１１ プラズマアークトーチ
２ 反応釜
３ コレクター
４ フィーダー
５ 給気管
６ 冷却空気循環装置

Claims (14)

1. プラズマ非移送アークトーチセット、反応釜、およびコレクターを含むナノシリコン粉末製造装置であって、
   前記プラズマ非移送アークトーチセットは、シリコン粉末を加熱し気化させ、
   前記反応釜は、前記気化されたシリコン粉末をナノシリコン粉末に冷却し、
   前記コレクターは、前記ナノシリコン粉末を収集し、
   前記プラズマ非移送アークトーチセットは、等弧度に分布されている少なくとも２つのプラズマアークトーチを含み、前記プラズマアークトーチが水平面に対して４５°～９０°の角度で配置され、
   前記プラズマ非移送アークトーチセットに、フィーダーと給気管が接続され、前記フィーダーは前記プラズマ非移送アークトーチセットにシリコン粉末原料を投入して、加熱して気化し、前記給気管はガスを導入し、加熱による気化されたシリコン粉末原料を反応釜に吹き込み、ナノシリコン粉末に冷却され、
   前記コレクターには冷却空気循環装置が接続され、前記冷却空気循環装置の出口端は前記反応釜に接続される、
   ことを特徴とするナノシリコン粉末製造装置。
2. 前記プラズマ非移送アークトーチセットは、２～６本のプラズマ非移送アークトーチで構成される高温プラズマアークサークルである
   ことを特徴とする請求項１に記載のナノシリコン粉末製造装置。
3. 前記プラズマアークトーチは３本設置され、前記プラズマアークトーチは水平面に対して４５°の角度で配置される
   ことを特徴とする請求項２に記載のナノシリコン粉末製造装置。
4. 前記コレクターにフィルターが設けられ、前記ナノシリコン粉末が前記フィルターでろ過された後に収集・包装される
   ことを特徴とする請求項１に記載のナノシリコン粉末製造装置。
5. 前記ナノシリコン粉末の製造方法は、以下のステップを含み、
   ステップ１、プラズマ非移送アークトーチセット、反応釜、コレクター、フィーダー、給気管、及び冷却空気循環装置に不活性ガスを導入し、気密試験を行い、
   ステップ２、気密試験完了後に、不活性ガスを排出し、給気管を介して、当該ナノシリコン粉末製造装置に作動ガスを継続的に導入し、
   ステップ３、プラズマ非移送アークトーチセット、反応釜、フィーダー、冷却空気循環装置を動作し、前記フィーダーからシリコン粉末原料を投入し、ナノシリコン粉末の製造を開始し、
   ステップ４、前記コレクターにおけるナノシリコン粉末を収集し包装する
   ことを特徴とする請求項１に記載のナノシリコン粉末製造装置。
6. 好ましくは、加熱源としてのプラズマ非移送アークは、プラズマ層流非移送アークである
   ことを特徴とする請求項５に記載のナノシリコン粉末製造装置。
7. 前記プラズマ非移送アークの電流が６０～５００Ａであり、電圧が１００～４００Ｖである
   ことを特徴とする請求項６に記載のナノシリコン粉末製造装置。
8. 前記プラズマ非移送アークのアーク長さは５００ｍｍより長く、アークトーチのアーク長は３００～６００ｍｍである
   ことを特徴とする請求項６に記載のナノシリコン粉末製造装置。
9. 前記作動ガスは、アルゴン、水素、窒素、アンモニア及びヘリウムのうちの一つ、または複数を含み、前記プラズマアークトーチの給気量は２～２０ｍ３／ｈである
   ことを特徴とする請求項５に記載のナノシリコン粉末製造装置。
10. 前記シリコン粉末原料の平均粒径は５～４５μｍである
    ことを特徴とする請求項５に記載のナノシリコン粉末製造装置。
11. 前記シリコン粉末原料の供給量は０．３～１０kg/hである
    ことを特徴とする請求項５に記載のナノシリコン粉末製造装置。
12. 前記ナノシリコン粉末の平均粒径は２０～２００ｎｍである
    ことを特徴とする請求項５に記載のナノシリコン粉末製造装置。
13. 前記ナノシリコン粉末は球形であり、酸素含有量が５％未満、炭素含有量が２％未満である
    ことを特徴とする請求項５に記載のナノシリコン粉末製造装置。
14. 原料は、複数のアークトーチによって形成されたメインアークの上方に投入されるのは好ましいが、メインアークの上方に限られない
    ことを特徴とする請求項５に記載のナノシリコン粉末製造装置。
    

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