TW201400411A - 製造氧化矽沉積物的方法和系統 - Google Patents

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Abstract

氧化矽沉積物係藉由以下方式而連續製備：將含有二氧化矽粉末之粉末進料給料至反應室，將該進料在1,200-1,600℃下加熱以製造氧化矽蒸氣，將該蒸氣經過維持在或高於反應室溫度之轉移管線輸送至沉積室，由此引起氧化矽沉積在冷基板上，及從沉積室移出氧化矽沉積物。提供兩個沉積室，且輸送蒸氣之步驟係輪流從一個沉積室轉換至另一個沉積室。

Description

製造氧化矽沉積物的方法和系統
本發明關於製造氧化矽沉積物或粉末的方法和系統，該粉末適合用在包裝膜沉積及用作為鋰離子二次電池中的負電極活性材料。
若干用於製備氧化矽粉末的方法為先前技術中所知。專利文件1揭示一種方法，其包括將以二氧化矽為底質之氧化物粉末裝料在減壓及非氧化氛圍中熱處理，以產生SiO蒸氣及將SiO蒸氣以氣相冷凝，由此連續形成具有0.1微米或更小尺寸的非晶形SiO細粒子。專利文件2提出一種方法，其包括將矽原料加熱以蒸發及將蒸氣沉積在具有粗糙結構之基板表面上。專利文件3揭示一種方法，其包括將含有二氧化矽之粉末進料給料至反應室，製造氧化矽氣體，沉積在冷基板表面上及連續回收氧化矽沉積物。
專利文件1的方法能夠連續製造，但是無法製造高純度氧化矽粉末，因為所製造之SiO粉末為次微粒 子級粉末，當取出於空氣中時經歷氧化。專利文件2的方法可製造高純度氧化矽粉末，但是不能使其大規模製造，因為其為分批式製造設計。結果使得氧化矽粉末變得昂貴。雖然專利文件3的方法可以連續方式回收高純度氧化矽粉末，但是所使用之刮板係以包括軸承的旋轉單元為基座，該軸承不具長期操作抗性，無法維持氣密性。
引文列表 專利文件
專利文件1：JP-A S63-103815
專利文件2：JP-A H09-110412
專利文件3：JP-A 2001-220123(USP 6821495)
本發明的目的係提供以低成本的一致方式依序且有效製造高純度氧化矽沉積物的方法和系統。
本發明係指向連續製造氧化矽沉積物的方法，其係藉由將含有二氧化矽粉末之粉末進料給料至1,200至1,600℃下加熱之反應室，由此於其中製造氧化矽蒸氣，將氧化矽蒸氣經由轉移管線輸送至沉積室，轉移管線維持在等於或高於反應室溫度之溫度，使塊狀氧化矽沉 積在沉積室中的冷基板表面上，及移出氧化矽沉積物。本發明者發現當提供二或多個沉積室時獲得更好的結果。將氧化矽蒸氣輪流輸送至沉積室中之各一者。在二或多個沉積室之中依序重複輸送氧化矽蒸氣至沉積室及中斷輸送之步驟。接著沉積氧化矽及移出氧化矽沉積物的過程係在各自不同的沉積室並行實施，且沉積及移出在整體上為依序或連續的過程，藉以連續製備高純度氧化矽沉積物。
在一個態樣中，本發明提供一種連續製備氧化矽沉積物的方法，其包含以下步驟：將含有二氧化矽粉末之粉末進料給料至反應室，將進料在反應室中於惰性氣體中，在常壓或減壓下及在1,200-1,600℃之溫度下加熱而達成對進料的反應，以製造氧化矽蒸氣，將氧化矽蒸氣經由轉移管線輸送至沉積室，沉積室具有配置於其中的基板，將基板冷卻，將轉移管線維持在等於或高於反應室溫度之溫度，由此使氧化矽似塊狀沉積在基板上，及當輸送氧化矽蒸氣至沉積室之步驟中斷時，則從沉積室移出氧化矽沉積物。根據本發明，提供至少兩個沉積室。輸送氧化矽蒸氣之步驟可輪流從一個沉積室轉換至另一個沉積室，且依序於各個沉積室中重複輸送氧化矽蒸氣至沉積室及中斷之步驟，藉以依序從沉積室回收氧化矽沉積物。
在較佳的具體例中，粉末進料為二氧化矽粉末與金屬矽粉末的混合物。
在較佳的具體例中，移出氧化矽沉積物之步驟包括中斷氧化矽蒸氣輸送至沉積室及冷卻基板，更佳地以至少 60℃/小時之速率，使得氧化矽沉積物可自發地剝離基板，隨之移出氧化矽沉積物。
在較佳的具體例中，將沉積室中的基板冷卻到至多1,000℃之溫度。
在較佳的具體例中，每當基板上所沉積之塊狀氧化矽到達2至100毫米厚度時，則輸送氧化矽蒸氣之步驟可輪流從一個沉積室轉換至另一個沉積室。
在較佳的具體例中，氧化矽蒸氣係以相對於沉積室中的基板表面積之0.5至50公斤/平方公尺/小時之流速輸送至沉積室。
在較佳的具體例中，從沉積室移出氧化矽沉積物之步驟包括容許氧化矽沉積物從沉積室落入經由閥與沉積室連接之回收機制中，及在閥關閉之後從回收機制回收沉積物。
在較佳的具體例中，氧化矽沉積物具有0.5至30平方公尺/公克之BET比表面積且通常被用作為鋰離子二次電池中的負電極活性材料。
在另一態樣中，本發明提供製備氧化矽沉積物之系統，其包含給料機制，係用於將含有二氧化矽粉末之粉末進料給料至反應室，反應室，係用於達成對粉末進料的反應，以製造氧化矽蒸氣，至少兩個其中配置基板的沉積室，在此使氧化矽蒸氣 沉積在基板上，冷卻機制，係用於冷卻各基板，管線，係用於從反應室輸送氧化矽蒸氣至各沉積室，選擇器機制，係用於輪流使氧化矽蒸氣之輸送從一個沉積室轉換至另一個沉積室，及回收裝置，係用於自各基板移出氧化矽沉積物。
系統可另外包含用於振盪基板之裝置。回收裝置較佳地包括經由閥與沉積室連接之回收槽。
以本發明的方法和系統有效且連續地製備高純度氧化矽沉積物或沉澱物。
1‧‧‧反應爐
2‧‧‧反應室
3‧‧‧粉末進料
4‧‧‧加熱器
5‧‧‧給料機制
6a，6b‧‧‧轉移管線
7a，7b‧‧‧沉積室
8a，8b‧‧‧基板
9a，9b‧‧‧冷卻機制
10a，10b‧‧‧選擇器機制
11a，11b‧‧‧收集槽
12a，12b‧‧‧閥
13-15‧‧‧真空幫浦
16a，16b‧‧‧振盪機制
僅有的圖形1為根據本發明用於製造氧化矽沉積物的系統之圖式例證。
具體例的說明
簡單地說，氧化矽沉積物係藉由以下步驟而連續製備：將含有二氧化矽粉末之粉末進料給料至反應室，將進料在1,200-1,600℃下加熱，以製造氧化矽蒸氣，將蒸氣經由維持在或高於反應室溫度之轉移管線輸送 至沉積室，由此引起氧化矽沉積在冷基板上，及從沉積室移出氧化矽沉積物，其中提供至少兩個沉積室，輸送氧化矽蒸氣之步驟輪流從一個沉積室轉換至另一個沉積室，且依序於各個沉積室中重複輸送氧化矽蒸氣至沉積室及中斷之步驟。
含有二氧化矽粉末之粉末進料典型為二氧化矽粉末與為此之還原粉末的混合物。例示性還原粉末為金屬矽化合物和含碳粉末。在該等之中，較佳地使用金屬矽粉末，因為其有效提高反應性及增加產率百分比。當加熱二氧化矽粉末與金屬矽粉末的混合物時，反應係根據以下的流程進行。
Si(s)+SiO2(s) → 2SiO(g)
在本文所使用之二氧化矽粉末較佳地具有至多0.1微米之平均粒徑，典型為0.005至0.1微米，而更佳為0.005至0.08微米。在本文所使用之金屬矽粉末較佳地具有至多30微米之平均粒徑，典型為0.05至30微米，而更佳為0.1至20微米。若二氧化矽粉末之平均粒徑超過0.1微米或若金屬矽粉末之平均粒徑超過30微米，則有可能降低反應性及因此降低生產力。應注意平均粒徑係在以雷射光繞射法測量粒徑分布時之累積重量平均值D50(或中值粒徑)來測定。
將粉末進料給料至反應爐或室(配備有加熱器)，將進料在此於1,200-1,600℃之溫度下加熱且維持，較佳為1,300至1,500℃，以製造氧化矽蒸氣。在低 於1,200℃之溫度下，反應進度可能緩慢，導致生產力降低。高於1,600℃之溫度可能引起粉末進料熔融且需要的反應爐材料難以挑選。
在反應爐中的氣體在常壓或減壓下(較佳地在至多1,000帕斯卡之減壓下)為惰性氣體。以減壓較佳，因為容易釋出蒸氣形式之氧化矽。例示性惰性氣體包括氬氣和氦氣。
粉末進料係以給料機制或給料器以適合的間隔或連續給料至反應室，使得可連續達成反應。給料器可為能夠連續供應之螺旋式給料器、能夠間歇性供應之閥/給料斗/閥給料器或上述各項之組合。
一旦於反應室中製造出氧化矽蒸氣時，將其經過轉移管線連續輸送至沉積室。根據本發明，將轉移管線加熱且維持在必須等於或高於反應室溫度之溫度。若轉移管線之溫度低於反應室溫度，則氧化矽蒸氣將沉積且黏在轉移管線內壁上，造成系統的麻煩及妨礙穩定的操作。在過高的溫度下加熱轉移管線只需要增加電力成本，但是達不到更多好處。轉移管線之溫度較佳地在從反應室溫度至反應室溫度加上200℃(最大)之範圍內。
在本發明中必須提供二或多個沉積室。沉積室數量尤其可為兩個、三個、四個或更多個。操作用於控制蒸氣流動的選擇器機制，以便輸送在反應室中所產生之氧化矽蒸氣至複數個沉積室中之各一者。將配置於沉積室中的基板冷卻。一旦輸送至沉積室時，使氧化矽蒸氣與冷 卻之基板接觸，冷卻且冷凝在基板上，以形成塊狀固體的氧化矽沉積物。將沉積室中的基板較佳地於整個過程中冷卻在至多1,000℃之溫度。促進沉積之基板溫度(沉積溫度)可等於或低於1,000℃，尤其在200至1000℃之範圍內。基板溫度係在此寬廣的範圍內變化，因為輸送氧化矽蒸氣至沉積室及輸送中斷係在二或多個沉積室之間重複，使得基板溫度在沉積初期與後期階段之間明顯不同。沉積係在至少200℃之基板溫度下開始，而有效的沉積較佳地發生在300至900℃，而更佳在300至800℃之溫度下。若沉積溫度降低且維持低於該範圍，則所得氧化矽可能變成超細的粒子，其太具有活性。
在較佳的具體例中，氧化矽蒸氣係以0.5至50公斤/平方公尺/小時，更佳為1至25公斤/平方公尺/小時之面積流速輸送至沉積室，面積流速係相對於沉積室中的冷卻之基板表面積。氧化矽可在此範圍內以高產量沉積。若氧化矽蒸氣量相對於基板表面積太多，則不是所有的氧化矽皆沉積在基板上，而有一些可能沉積在沉積室的壁上及甚至漏出沉積室外。結果使氧化矽產量降低。另一方面，若氧化矽蒸氣量相對於基板表面積太小，則氧化矽在基板上過度冷卻及變成超細的微粒而不是塊狀沉積物。應注意基板表面積可由所欲產出量來決定且典型在0.02至1,000平方公尺之範圍內，雖然沒有特別的限制。氧化矽蒸氣的供應速率係依照基板表面積而適當地調整，例如在1至500公斤/小時之範圍內，使得面積流速可落在上 述限定之範圍內。
氧化矽蒸氣的供應速率可從粉末進料的供應速率及加熱器的輸出來決定。當粉末進料在反應室中的有效量維持固定時，則加熱器的輸出為提高粉末進料至反應溫度所必要的熱量、用於反應和昇華的熱量，與反應爐的熱損失之總和。於是穩定的加熱器輸出表示粉末進料的供應速率等於氧化矽蒸氣的排放速率(供應速率)。
在氧化矽蒸氣經預定的時間輸送至第一沉積室之後，將氧化矽蒸氣之輸送轉換至第二沉積室。氧化矽蒸氣之輸送從一個沉積室轉換至另一個沉積室的一個例示性準則為塊狀氧化矽沉積物在基板表面上的厚度。準則厚度較佳為2至100毫米，更佳為5至50毫米。若氧化矽沉積物比2毫米薄時，則其具有與在低溫下所沉積之氧化矽一樣的高活性及含有更多超細的粒子，此過早轉換導致較低的產量。若氧化矽沉積物比100毫米厚時，則沉積物遭受在升高溫度下的熱遲滯，且由於與基板頑強的黏著性而使厚的沉積物難以剝離，或甚至在剝離時，一些大的碎片牢抓在反應室壁上及不落入收集槽(回收機制)中。氧化矽沉積物的厚度可透過反應室壁中的標度窺鏡測量。
在氧化矽蒸氣經預定的時間輸送至第一沉積室之後，將氧化矽蒸氣之輸送轉換至第二沉積室。接著中斷氧化矽蒸氣輸送至已接收氧化矽蒸氣的第一沉積室，由蒸氣承載的熱量消退了且第一沉積室主要由基板冷卻機制冷卻。沉積昇華之氧化矽的目的典型地可藉由降低基板溫 度至或低於1,000℃而達成，由此降低蒸氣壓力。在從輸送氧化矽蒸氣起關閉之第一沉積室的靜止期間，將基板較佳地以冷卻機制及由於阻斷承載的熱量而過度冷卻。以此過度冷卻而使基板冷卻至200至700℃之溫度(剝離溫度)，較佳為200至500℃。基板溫度特別在與氧化矽蒸氣直接接觸之表面相反的基板背表面上測量。
由於中斷蒸氣輸送至沉積室及冷卻基板，氧化矽沉積物因基板與沉積物之間的熱收縮差異而自發地剝離基板表面，不需要以刮板或類似物的任何物理力量直接施於氧化矽沉積物。亦即不必要特別的分離操作。〝自發地剝離〞包括施予基板有助於氧化矽沉積物剝離基板的振盪而不以物理力量直接施於氧化矽沉積物。在中斷氧化矽蒸氣輸送沉積室時的靜止期間，氧化矽沉積物可從沉積室移出至收集槽。整個過程能夠有效的依序或連續回收在二或多個收集槽中的氧化矽沉積物。在自中斷氧化矽蒸氣輸送沉積室起，至氧化矽沉積物的自發性剝離的這期間，基板較佳地以至少60℃/小時，更佳為至少120℃/小時之速率冷卻。雖然不是很關鍵，但是冷卻速率的上限為至多約900℃/小時。若冷卻速率太低，則氧化矽沉積物可能不會在下一次的沉積室轉換之前自發地剝離，抑制有效的連續製造氧化矽沉積物。未特別限制用於冷卻基板的冷卻劑類型，雖然可在液體(諸如水和熱載劑)及氣體(諸如空氣和氮氣)之間做選擇。當使用熱載劑時，在外端從例如蒸汽形式的熱載劑回收熱是可行的。
雖然未特別限制基板的類型，但是以金屬材料較佳。較佳地使用容易起作用的金屬材料，諸如不銹鋼、以鎳為底質之合金和以鈦為底質之合金。例如，常使用的不銹鋼SUS304(JIS)具有20×10-6/℃之高的線性或熱膨脹係數(CTE)。以鎳為底質之合金(Hastelloy® C)和以鈦為底質之合金分別具有13.4×10-6/℃和9.4-10.8×10-6/℃之CTE。另一方面，雖然不確定，但是估計氧化矽具有低的CTE，因為氧化物通常具有低的CTE，例如石英具有0.54×10-6/℃之低的CTE。當溫度以阻斷任何熱輸入的基板冷卻機制從沉積溫度下降時，引起收縮差異及最終剝離沉積物。另一選擇地或另外，沉積室配備有外部振盪機制，施予基板有助於氧化矽沉積物剝離基板的振盪。
在此方式中，氧化矽蒸氣之輸送依序從一個沉積室轉換至另一個沉積室。在包括例如兩個沉積室〝a〞和〝b〞的具體例中，輸送係按a→b→a→b之次序轉換。接著沉積氧化矽及移出氧化矽沉積物的過程在各自不同的沉積室並行實施，且沉積及移出過程整體來看為依序或連續的，亦即連續製造。氧化矽蒸氣的輸送依序從一個沉積室轉換至另一個沉積室的時間較佳為1至8小時，更佳為4小時之內，雖然適當的時間係依照自發地剝離氧化矽沉積物及落下的時間、粉末進料量、基板的冷卻速率及其他因素來選擇。
未特別限制沉積室的數量。所決定之沉積室 的數量和體積是為了具有足以容許氧化矽沉積及移出氧化矽沉積物的時間。用於控制氧化矽蒸氣流動的選擇器機制可包括在各沉積室上游或下游之轉換閥，較佳為沉積室下游，使得氧化矽蒸氣流動不受到擾亂。
當中斷氧化矽蒸氣輸送至沉積室時，將沉積室以基板冷卻機制冷卻。此外，可在轉移管線的出口提供閘門以阻斷來自轉移管線的輻射熱，以加速沉積室冷卻。
一旦將氧化矽沉積物收集在收集槽中時，將沉積室與收集槽之間的檔板或閥關閉，以斷開收集槽與沉積室。接著可在系統的連續操作期間從槽移出沉積物，以達成更有效的移出。因為沉積室係在高真空下操作，所以閥較佳地選自以氣密性及大開口為特色的那些閥，例如球閥、蝶閥和閘閥。一旦氧化矽沉積物剝離基板時，較佳為自發地剝離，其在重力下落入經由閥與沉積室連接的回收機制或收集槽中。以關閉的閥使收集槽接著恢復大氣壓力，隨之回收氧化矽沉積物。
在真空中所使用之閥較佳地具有至多1×10-3帕斯卡．立方公尺/秒之滲漏，以具有最少滲透之閥更佳。閥亦較佳地具有足以使塊狀沉積物碎片平順通過的大開口尺寸，尤其為至少100A之尺寸(JIS標稱尺寸)。因為塊狀沉積物的碎片乃至超細粒子通過閥，所以較佳地選擇耐受粒子推擠的閥。
一旦將氧化矽沉積物自第一沉積室中的基板剝離及移出時，第一沉積室沒有沉積物，亦即準備好再接 收氧化矽蒸氣。當氧化矽沉積物自第一沉積室移出的這期間，操作選擇器機制，使得氧化矽蒸氣的輸送轉換至第二沉積室。此造成在第二室中沉積及在第一室中移出。沉積及移出係輪流在不同的室之間重複，達成連續操作。
所得塊狀氧化矽沉積物具有99.9至99.95重量%之氧化矽的純度。最好可取得高純度氧化矽。
可將塊狀氧化矽沉積物使用適合的研磨機和分級器粉碎成氧化矽粉末，典型地具有0.01至30微米之平均粒徑及0.5至30平方公尺/公克之BET比表面積。氧化矽粉末適合用在包裝膜沉積及用作為鋰離子二次電池中的負電極活性材料。如本文所使用之術語〝BET比表面積〞為以N2氣體吸附為基準之BET單點方法的量測值。
參考圖1，其係例證可用在實行上述方法的一個例示性系統。連續製備氧化矽沉積物的系統包括用於將含有二氧化矽粉末之粉末進料給料至反應室之給料機制；用於達成對粉末進料的反應之反應室，以製造氧化矽蒸氣；至少兩個其中配置基板的沉積室，在此使氧化矽蒸氣沉積在基板上；用於冷卻各基板的冷卻機制；用於從反應室輸送氧化矽蒸氣至各沉積室之轉移管線；用於輪流使氧化矽蒸氣之輸送從一個沉積室轉換至另一個沉積室之選擇器機制；及用於自各基板移出氧化矽沉積物之回收機制。
詳細說明系統。組件特別以流體連通方式連接。反應爐1限定於其中的反應室2。反應爐1配備有加熱器4。將給料機制5與反應室2連接，將反應室經由轉 移管線6與二或多個沉積室7連接。將沉積室與選擇器機制10連結。在包括兩個沉積室7a，7b的具體例中，將各沉積室7經由轉移管線6與反應室2連接且以選擇器機制10控制。在特定的時間點，將至少一個沉積室7經由選擇器機制10與真空幫浦14連接。沉積室7配備有施予基板8振盪的外部振盪機制16。另外，將沉積室7經由閥12與收集槽11連接，使得收集槽在閥12關閉時從沉積室7斷開。將真空幫浦13與給料器機制5連接，將真空幫浦14與沉積室7連接，及將真空幫浦15與收集槽11連接。在該等組件之中，轉移管線6、沉積室7、基板8、冷卻機制9、選擇器機制10、收集槽11、閥12及振盪器16係對稱設置。亦即設置一對沉積室7a和7b，依此類推。每當氧化矽蒸氣之流動係以選擇器機制轉換時，在一條支線上的組件經同樣地操作。
在操作時，裝料的給料機制5將含有二氧化矽粉末之粉末進料3以連續或間歇方式給料至反應室2。在以加熱器4於1,200-1,600℃之溫度下加熱的反應室2中，將含有二氧化矽粉末之粉末進料3反應，以製造氧化矽蒸氣，將其經由轉移導管或管線6輸送至複數個沉積室7中之一。轉移導管6配備有加熱器(未顯示)，使得導管可維持在等於或高於反應室2溫度之溫度。轉移導管6連接反應室與複數個沉積室7。將基板8配置在沉積室7中且以冷卻機制9冷卻至預定溫度。氧化矽蒸氣的流動係以選擇器機制10控制。在包括兩個沉積室7a，7b的具體 例中，當選擇第一室7a時，與第一室7a連結的選擇器機制(或閥)10a打開，而與第二室7b連結的選擇器機制(或閥)10b關閉。一旦將反應室2以真空幫浦14排空及以加熱器4在預定的溫度下加熱時，將粉末進料加熱，以產生氧化矽蒸氣，其流向第一沉積室7a，在此沉積在室7a中的第一基板8a上。在經預定的時間連續沉積之後，將選擇器機制10b打開及將選擇器機制10a關閉。接著氧化矽蒸氣流向第二沉積室7b，在此沉積在室7b中的第二基板8b上。
由於中斷氧化矽蒸氣輸送至第一室7a及冷卻第一基板8a，第一基板8a上的氧化矽沉積物剝離基板8a及向下落入收集槽11a中。收集槽11a係以閥12a從沉積室7a斷開。以關閉的閥12a，容許收集槽11a恢復壓力，隨之使因此收集之氧化矽沉積物移出槽11a。在此時間點，第一沉積室7a是空的且準備好再接收氧化矽蒸氣。當氧化矽固體自第一室7a移出時的這期間，經選擇之選擇器機制將氧化矽蒸氣之輸送轉換至第二沉積室7b。第一沉積室7a準備好接收氧化矽蒸氣，除了當氧化矽固體自第一室7a移出時的這期間以外。接著可將氧化矽沉積物從一個沉積室7移出，儘管系統仍連續操作。真空幫浦13、14和15分別與給料器機制(或給料斗)5、沉積室7和收集槽11連接。在該等組件之中，轉移導管6、沉積室7、基板8、冷卻機制9、選擇器機制10、收集槽11和閥12係對稱設置。亦即設置一對沉積室7a和7b，依此 類推。每當氧化矽蒸氣之流動以選擇器機制轉換時，在其他支線上的組件經同樣地操作。
因為上述例證之系統將氧化矽蒸氣之流動轉換至沉積室7a和7b中之各一者，所以可以連續且一致的方式製造氧化矽沉積物。
本發明的實例係以例證方式並不以限制方式提出。
實例1
氧化矽沉積物係使用圖1中所例證之系統製造。系統具有氬氛圍。粉末進料為藉由將等莫耳量的二氧化矽粉末(具有0.02微米之平均粒徑及200平方公尺/公克之BET比表面積)與金屬矽粉末(具有10微米之平均粒徑及3平方公尺/公克之BET比表面積)在攪動器中混合而獲得的粉末混合物。限定具有40公升體積的反應室2之反應爐1初步裝入6公斤粉末混合物。在兩個支線之中，先選擇沉積室7a輸送及沉積氧化矽蒸氣。操作選擇器機制，使得閥10a打開及閥10b關閉。在氬氣氛圍中操作真空幫浦14，使反應室2的壓力降低至10帕斯卡，驅動加熱器4使室在1,400℃下加熱且維持。亦將轉移導管6在1,400℃下加熱且維持。使用水作為冷卻不銹鋼(140毫米×600毫米，表面積0.084平方公尺)基板8的冷卻劑。從反應室中的壓力增加及沉積室中的溫度上升確認氧化矽蒸氣的形成。當反應室到達1,400℃之溫度時，在沉積室中的基 板係在300℃之溫度。一旦反應變穩定時，則操作給料機制5，使粉末混合物以2公斤/小時之速率給料。反應室中的壓力及沉積室中的溫度維持固定，甚至在給料粉末混合物之後，表示連續反應。操作系統4小時，因為反應室到達1,400℃。在沉積室中的基板溫度為650℃(沉積溫度)。每個基板表面積所輸送之氧化矽蒸氣的流速為23公斤/平方公尺/小時。氧化矽沉積物之厚度係透過室壁中的標度窺鏡測量為30毫米。
在此時間點，操作選擇器機制，使得閥10a關閉及閥10b打開。接著使氧化矽蒸氣輸送至第二沉積室7b，其在此沉積在第二基板8b上。因為沉積室7a不接收更多的熱輸入且以冷卻機制冷卻，所以基板的溫度在2小時之後下降至250℃(剝離溫度)。接著氧化矽沉積物自發地剝離基板表面及落入具有50公升體積之收集槽11a中。將基板以200℃/小時之速率冷卻。閥12a為具有200A之JIS標稱尺寸的閘閥。以關閉的閥12a使收集槽11a恢復壓力，隨之移出氧化矽沉積物。以後每4小時轉換沉積室，直到操作時間總計168小時為止。此證明連續操作是可行的。當收集槽11a恢復壓力時，因閥12a關閉，沉積室內的壓力維持不變，表示沒有滲漏。氧化矽固體係以1.9公斤/小時之速率回收，具有95%之產率。氧化矽沉積物具有8平方公尺/公克之BET比表面積及至少99%之純度。在操作結束時，目視觀察組件內部，在反應室和轉移管線中沒有發現顯著的殘餘物。在沉積室中基板保持清潔，表 示氧化矽沉積物完全剝離。
實例2
重複實例1的程序，直到氧化矽蒸氣輸送且沉積在沉積室7b中為止。操作振盪機制16a，以施予振盪至在室7a中的基板8a。因為沉積室7a不接收更多的熱輸入且冷卻機制冷卻，所以基板的溫度在1小時之後下降至390℃(剝離溫度)。接著氧化矽沉積物自發地剝離基板表面及落入收集槽11a中。將基板以260℃/小時之速率冷卻。因閥12a關閉，收集槽11a恢復壓力，隨之移出氧化矽沉積物。以後每4小時轉換沉積室，直到操作時間總計168小時為止。此證明連續操作是可行的。氧化矽固體係以1.9公斤/小時之速率回收，具有95%之產率。氧化矽沉積物具有8平方公尺/公克之BET比表面積及至少99%之純度。在操作結束時，目視觀察組件內部，在反應室和轉移管線中沒有發現顯著的殘餘物。在沉積室中基板保持清潔，表示氧化矽沉積物完全剝離。
實例3
在與實例2相同的條件下連續製造氧化矽沉積物，除了使用氮氣作為冷卻不銹鋼基板的冷卻劑以外。如實例2中，在4小時之後以所選擇之選擇器機制轉換沉積室，因為反應室到達1,400℃。在沉積室中的基板溫度最初為780℃及在2小時之後下降至520℃，表示130℃/小時之 冷卻速率。在操作結束時，目視觀察組件內部，在反應室和轉移管線中沒有發現顯著的殘餘物。在沉積室中基板保持清潔，表示氧化矽沉積物完全剝離。
實例4
在與實例1相同的條件下連續製造氧化矽沉積物，除了調整氧化矽蒸氣的供應速率，以產生每個基板表面積6公斤/平方公尺/小時之流速以外。氧化矽沉積物自發地剝離基板表面及落入收集槽11a中。氧化矽沉積物具有10平方公尺/公克之BET比表面積及至少99%之純度。在操作結束時，目視觀察組件內部，在反應室和轉移管線中沒有發現顯著的殘餘物。在沉積室中基板保持清潔，表示氧化矽沉積物完全剝離。
實例5
在與實例1相同的條件下連續製造氧化矽沉積物，除了使用200A(JIS標稱尺寸)之球閥代替200A之閘閥作為閥12a以外。系統操作的總時間為168小時，證明連續操作是可行的。當收集槽11a恢復壓力時，因閥12a關閉，沉積室內的壓力維持不變，表示沒有滲透。閥沒有粉末推擠。
比較例1
與實例1相同的程序連續製備氧化矽沉積物，除了轉 移管線的溫度為1,000℃以外。在開始操作48小時之後，轉移管線被氧化矽沉積物堵塞。無法再繼續操作。
比較例2
與實例1相同的程序連續製備氧化矽沉積物，除了不冷卻沉積室中的基板以外。如實例1中，在系統操作4小時之後，因為反應室到達1,400℃，操作選擇器機制從一個沉積室轉換至另一個沉積室。在沉積室中的基板溫度最初為950℃及在4小時之後僅下降至750℃，此時氧化矽沉積物不剝離。冷卻速率為50℃/小時。此制止轉換沉積室，無法連續操作。
將各實例中所獲得的塊狀氧化矽沉積物研磨成氧化矽粒子。當使用此氧化矽粉末作為負電極活性材料來建構鋰離子二次電池時，獲得滿意的電池性質。
1‧‧‧反應爐
2‧‧‧反應室
3‧‧‧粉末進料
4‧‧‧加熱器
5‧‧‧給料機制
6a，6b‧‧‧轉移管線
7a，7b‧‧‧沉積室
8a，8b‧‧‧基板
9a，9b‧‧‧冷卻機制
10a，10b‧‧‧選擇器機制
11a，11b‧‧‧收集槽
12a，12b‧‧‧閥
13-15‧‧‧真空幫浦
16a，16b‧‧‧振盪機制

Claims (13)

  1. 一種連續製備氧化矽沉積物之方法，其包含以下步驟：將含有二氧化矽粉末之粉末進料給料至反應室，將該進料在反應室中於惰性氣體中，在常壓或減壓下及在1,200-1,600℃之溫度下加熱而達成對進料的反應，以製造氧化矽蒸氣，將該氧化矽蒸氣經過轉移管線輸送至沉積室，該沉積室具有配置於其中的基板，將該基板冷卻，將該轉移管線維持在等於或高於反應室溫度之溫度，由此使氧化矽似塊狀沉積在基板上，及當輸送該氧化矽蒸氣至沉積室之步驟中斷時，則從沉積室移出氧化矽沉積物，其中提供至少兩個沉積室，輸送該氧化矽蒸氣之步驟係輪流從一個沉積室轉換至另一個沉積室，且依序於各個沉積室中重複該輸送氧化矽蒸氣至沉積室及中斷之步驟，藉以從該至少兩個沉積室回收該氧化矽沉積物。
  2. 根據申請專利範圍第1項之方法，其中該粉末進料為二氧化矽粉末與金屬矽粉末的混合物。
  3. 根據申請專利範圍第1或2項之方法，其中該移出氧化矽沉積物之步驟包括中斷氧化矽蒸氣輸送至沉積室及冷卻基板，使得該氧化矽沉積物可剝離基板，隨之移出該氧化矽沉積物。
  4. 根據申請專利範圍第1或2項之方法，其中該氧化 矽沉積物自發地剝離基板，且將該基板以至少60℃/小時之速率冷卻，時間持續從中斷氧化矽蒸氣輸送至沉積室起，直到氧化矽沉積物的自發性剝離。
  5. 根據申請專利範圍第1或2項之方法，其中將該沉積室中的該基板冷卻到至多1,000℃之溫度。
  6. 根據申請專利範圍第1或2項之方法，其中每當基板上所沉積之塊狀氧化矽到達2至100毫米厚度時，則該輸送氧化矽蒸氣之步驟輪流從一個沉積室轉換至另一個沉積室。
  7. 根據申請專利範圍第1或2項之方法，其中該氧化矽蒸氣係以相對於該沉積室中的該基板表面積之0.5至50公斤/平方公尺/小時之流速輸送至該沉積室。
  8. 根據申請專利範圍第1或2項之方法，其中從該沉積室移出該氧化矽沉積物之步驟包括容許氧化矽沉積物從沉積室落入經由閥與沉積室連接之回收機制中，及在該閥關閉之後從該回收機制回收該沉積物。
  9. 根據申請專利範圍第1或2項之方法，其中該氧化矽沉積物具有0.5至30平方公尺/公克之BET比表面積。
  10. 根據申請專利範圍第1或2項之方法，其中該氧化矽沉積物被用作為鋰離子二次電池中的負電極活性材料。
  11. 一種製備氧化矽沉積物之系統，其包含給料機制，係用於將含有二氧化矽粉末之粉末進料給料至反應室， 反應室，係用於達成對粉末進料的反應，以製造氧化矽蒸氣，至少兩個其中配置基板的沉積室，在此使該氧化矽蒸氣沉積在該基板上，冷卻機制，係用於冷卻各基板，轉移管線，係用於從該反應室輸送該氧化矽蒸氣至各沉積室，選擇器機制，係用於輪流使氧化矽蒸氣之輸送從一個沉積室轉換至另一個沉積室，及回收機制，係用於自各基板移出該氧化矽沉積物。
  12. 根據申請專利範圍第11項之系統，其另外包含用於振盪該基板之裝置。
  13. 根據申請專利範圍第11或12項之系統，其中該回收裝置包含經由閥與該沉積室連接之回收機制。
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