TW202124279A - 用於可再充電電池由電弧爐製造的奈米矽粒子／電線 - Google Patents

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Abstract

一種使用純矽作為原料而沒有其他預處理材料的方法及裝置，以生產呈現粒子、奈米線或兩者的組合的形式的奈米矽及/或奈米矽碳塗層複合物材料，用於製造高容量及高能源效能的鋰離子電池的陽極。該裝置包括一反應器，包含至少一個電極，並適於提供至少一個電弧，例如一直流傳輸電弧，以熔化及汽化設置在反應器中的矽。提供一淬熄系統，用於在反應器中輸送用於淬熄如此產生的矽蒸氣的氣體，從而形成奈米粒子及/或奈米線。該反應器是在真空下。該氣體可以由渦旋件及/或經由中空電極注入。該電極是可消耗的及可垂直移動的，以控制電弧電壓並補償電極腐蝕。

Description

用於可再充電電池由電弧爐製造的奈米矽粒子/電線
本申請標的是關於奈米矽及/或奈米矽碳塗層複合物的生產，特別是用作鋰離子電池製造中的原料。
近年來，已經廣泛研究以奈米粒子、奈米線或多孔奈米矽形式的矽作為鋰離子(Li-ion)電池的陽極材料。與商業上用作陽極材料的石墨相比，矽的比容量是石墨的10倍(矽及石墨分別為3800-4000及
Figure 109135215-A0202-12-0001-11
380mAh/g)。然而，由於矽的性質及其與鋰離子的反應，在鋰離子電池中裝設矽仍然具有挑戰性。
生產高性能鋰離子電池的挑戰之一是使用奈米矽粉作為陽極材料(參考文獻1~3)。在鋰化過程中，完全鋰化後，晶體矽(c-Si)轉變為非晶LixSi，然後轉變為晶體Li15Si4。在鋰化過程中，Si陽極的體積變化很大(最大為280-400%)，從而導致陽極劣化及電池容量下降。這種劣化的原因是LixSi(x
Figure 109135215-A0202-12-0001-12
3.75)相的形成(參考文獻4~6)，一旦在鋰化期間電壓落在50-70mV之間(參考文獻7)。體積變化產生的應力及應變場會導致矽顆粒破碎或破裂，從而縮短電池壽命。
根據文獻(參考文獻4、6及8)，機械緩衝是克服體積變化問題之有前途的解決方案。該技術是用活性殼(諸如石墨或碳)覆蓋奈米矽粒子，以製造矽碳複合物。碳塗層形式的奈米矽已被證明是克服鋰離子電池製造中使用矽作為電極的侷限性的潛在選擇。矽-碳複合物粒子提供更高的容量及庫侖效率。塗層碳層用作緩衝層，以抵抗應力/應變場，以增加原始材料的斷裂韌性，並基本上阻止形成LixSi相。固體電解質界面(SEI)也是鋰離子電池容量性能的關鍵因素。粒子破裂導致更多的SEI，從而導致更多的非活性表面。
美國專利公開第2019/0016601 A1號(參考文獻9)，其於2019年1月17日公開在Lyubina，報導了用作陽極的奈米矽碳塗層粒子在鋰化/脫鋰循環中顯示出更高的容量。主要透過藉由將作為SiH4的化合物的矽及作為碳前驅物的烴(CHx)引入RF電漿並淬熄粒子的化學氣相沉積(CVD)方法，生產了奈米矽碳複合物。在此公開案中，碳透過具有最高非晶碳濃度的矽粒子分布在外層。據信非晶碳作為矽粒子周圍的殼層減少了SEI的形成(參考文獻10~13)。矽-碳複合物上較高的碳濃度是更有利的，因為它阻止了過多的SEI形成。
美國專利第9,379,381 B2號(參考文獻8)，其於2016年6月28日發給Yang等人，亦描述一種機械化學方法以獲得碳-矽複合物粒子。該方法包含在球磨下SiCl4與Li13 Si4之間的反應、粉末後處理及藉由CVD的碳塗層。
粒子大小控制是控制矽陽極破裂及粉碎的另一個因素。Liu等人(參考文獻6)及M.T.McDowell等人(參考文獻14)報導了透過原位TEM觀察，直徑小於150nm的完整鋰化矽粒子沒有破裂發生。結果表明，較小的粒子有利於鋰離子的運輸及由體積膨脹產生的應變鬆弛。在奈米線的案子中，Ryu等人(參考文獻15)報導了直徑的閾值大小為300nm，在此閾值以下不會發生破裂。
近年來，大多數上述已知生產技術是化學/電化學製程或CVD製程，其中將矽原料作為化合物(參考文獻8、9及16)引入該製程中或使用毒性材料(參考文獻17)。
因此，期望提供一種用於以更高的生產率及更好的能源效率生產用於可再充電電池製造的奈米矽及/或奈米矽碳塗層複合物或奈米線碳塗層複合物的系統。
因此，期望提供一種用於生產奈米矽及/或奈米矽碳塗層複合物的新穎系統。
本文描述的實施例的一態樣是提供一種用於生產純奈米矽或奈米矽碳塗層複合物的方法，包括：
a)使用一種或多種直流傳輸電弧熔化及汽化矽；以及
b)提供一淬熄系統。
另外，本文描述的實施例在另一態樣是提供一種方法，其中提 供一感應線圈以透過坩堝的感應加熱來直接預熱及熔化矽或間接地預熱及熔化矽，其中汽化主要由電弧實現。
此外，本文所述的實施例在另一態樣是提供一種方法，其中淬熄系統包括內部淬熄系統，諸如渦旋件及/或中空電極(僅氬氣或氬氣-烴的混合物)。
此外，本文所述的實施例在另一態樣是提供一種方法，其中淬熄系統包括外部淬熄系統，諸如第拉瓦噴嘴(C-D噴嘴)或冷氣流或液體流或固態淬熄。
此外，本文所述的實施例在另一態樣是提供使用如此生產的奈米矽碳塗層複合物製造鋰離子電池的方法。
此外，本文所述的實施例在另一態樣是提供一種用於製造奈米矽碳塗層複合物的方法。
此外，本文描述的實施例在另一態樣是提供一種用於生產純奈米矽或奈米矽碳塗層複合物的方法，包括：
a)使用一種或多種直流傳輸電弧熔化及汽化矽；以及
b)淬熄矽蒸氣以形成奈米粒子及奈米線的至少一者。
此外，本文描述的實施例在另一態樣是提供一種方法，其中提供反應器，該反應器包括電弧、電極及坩堝。
此外，本文描述的實施例在另一態樣是提供一種方法，其中反應器在真空下。
此外，本文描述的實施例在另一態樣是提供一種方法，其中將氣體注入到反應器中以淬熄矽蒸氣。
此外，本文描述的實施例在另一態樣是提供一種方法，其中氣體由渦旋件注入。
此外，本文描述的實施例在另一態樣是提供一種方法，其中電極是中空的，並且氣體經由電極注入。
此外，本文描述的實施例在另一態樣是提供一種方法，其中電極是可消耗的且可移動的，以控制電弧電壓並補償電極腐蝕。
此外，本文描述的實施例在另一態樣是提供一種方法，其中用於淬熄矽蒸氣的淬火氣體包括惰性氣體，諸如氬氣。
此外，本文描述的實施例在另一態樣是提供一種方法，其中用於淬熄矽蒸氣的淬熄混合物包括惰性氣體及含碳的前驅物，諸如烴，俾以將烴引入汽化區中。
此外，本文描述的實施例在另一態樣是提供一種方法，其中矽蒸氣的淬熄經由渦旋件及中空電極的至少一者在反應器內部進行。
此外，本文描述的實施例在另一態樣是提供一種方法，其中矽蒸氣的淬熄是在反應器的外部進行，例如使用第拉瓦噴嘴(C-D噴嘴)、冷氣流或液體流、以及固態淬熄的其中一者。
此外，本文描述的實施例在另一態樣是提供一種方法，其中經淬熄的粒子被過濾，例如使用燭式過濾器，然後將其收集在密封的收集器中，並且隨後將所收集的粉末轉移至例如具有經控制的惰性大氣的手套箱中以避免氧化。
此外，本文描述的實施例在另一方態樣是提供一種方法，其中原料矽在分批中或經由連續進料提供。
此外，本文描述的實施例在另一態樣是提供一種方法，其中原料矽首先被電極與反應器的坩堝的底部之間的電弧熔化，熔化的矽作為陽極，然後被電極與陽極之間形成的電弧汽化。
此外，本文描述的實施例在另一態樣是提供一種方法，其中原料矽首先被感應線圈熔化，熔化的矽作為陽極，然後被電極與陽極之間形成的電弧汽化。
此外，本文描述的實施例在另一態樣是提供一種方法，其中感應線圈設置在反應器的壁中。
此外，本文描述的實施例在另一態樣是提供一種方法，其中感應線圈適於直接預熱並熔化原料矽，熔化的矽的汽化主要由電弧實現。
此外，本文描述的實施例在另一態樣是提供一種方法，其中感應線圈適於透過對坩堝的感應加熱而間接地預熱並熔化原料矽，熔化的矽的汽化主要由電弧實現。
此外，本文描述的實施例在另一態樣是提供一種方法，其中淬熄速率適於由界定在渦旋件中的孔的數量和直徑以及氣體流速調節，並且還例如藉由選擇淬火氣體進入角度來調節。
此外，本文描述的實施例在另一態樣是提供一種使用由上述方法中的任一者生產的奈米矽碳塗層複合物製造鋰離子電池的方法。
此外，本文描述的實施例在另一態樣是提供一種用於生產純奈米矽或奈米矽碳塗層複合物的裝置，包括：
a)反應器，包含至少一個電極，並適於提供至少一個電弧，例如直流傳輸電弧，以熔化及汽化設置在反應器中的矽；以及
b)淬熄系統，用於淬熄如此產生的矽蒸氣，俾以形成奈米粒子及奈米線的至少一者。
此外，本文描述的實施例在另一態樣是提供一種裝置，其中反應器包括坩堝。
此外，本文描述的實施例在另一態樣是提供一種裝置，其中反應器是在真空下，例如經由真空泵。
此外，本文描述的實施例在另一態樣是提供一種裝置，其中提供氣體注入器，用於將淬火氣體注入反應器中以淬熄矽蒸氣。
此外，本文描述的實施例在另一態樣是提供一種裝置，其中淬火氣體由渦旋件注入。
此外，本文描述的實施例在另一態樣是提供一種裝置，其中電極是中空的，以及氣體注入器包括中空電極，用於經由中空電極在反應器的腔室中注入淬火氣體。
此外，本文描述的實施例在另一態樣是提供一種裝置，其中電極是可消耗的及典型垂直可移動的，以控制電弧電壓並補償電極腐蝕。
此外，本文描述的實施例在另一態樣是提供一種裝置，其中用於淬熄矽蒸氣的淬火氣體包括惰性氣體，諸如氬氣。
此外，本文描述的實施例在另一態樣是提供一種裝置，其中用於淬熄矽蒸氣的淬熄混合物包括惰性氣體及含碳的前驅物，諸如烴，俾以將烴引入反應器的汽化區中。
此外，本文描述的實施例在另一態樣是提供一種裝置，其中淬熄系統設置在反應器的內部，並且包括用於淬熄矽蒸氣的渦旋件及中空電極的至少一者。
此外，本文描述的實施例在另一態樣是提供一種裝置，其中淬 熄系統設置在反應器的外部並且包括例如第拉瓦噴嘴(C-D噴嘴)、冷氣流或液體流、以及固態淬熄的其中一者。
此外，本文描述的實施例在另一態樣是提供一種裝置，其中過濾系統設置在反應器的外部並且適於過濾經淬熄的粒子，該過濾系統包括例如燭式過濾器。
此外，本文描述的實施例在另一態樣是提供一種裝置，其中收集器設置在反應器的外部並且適於收集過濾的粒子。
此外，本文描述的實施例在另一態樣是提供一種裝置，其中手套箱設置在收集器的下游並適於容納從收集器接收的粉末，該手套箱具有經控制的惰性大氣以避免該粉末的氧化。
此外，本文描述的實施例在另一態樣是提供一種裝置，其中反應器包括進料口，用於將原料矽典型地以連續方式進料至反應器腔室中。
此外，本文描述的實施例在另一態樣是提供一種裝置，其中反應器包括坩堝，以及初始電弧適於設置在電極與坩堝的底部之間以熔化設置在反應器中的原料矽，然後如此熔化的矽適於用作陽極並被形成在電極與陽極之間的電弧汽化。
此外，本文描述的實施例在另一態樣是提供一種裝置，其中反應器包括感應線圈，適於熔化設置在反應器中的原料矽，然後如此熔化的矽適於用作陽極並被形成在電極與陽極之間的電弧汽化。
此外，本文描述的實施例在另一態樣是提供一種裝置，其中感應線圈設置在反應器的壁中。
此外，本文描述的實施例在另一態樣是提供一種裝置，其中感應線圈適於直接預熱並熔化原料矽，如此熔化的矽的汽化主要由電弧實現。
此外，本文描述的實施例在另一態樣是提供一種裝置，其中感應線圈適於透過對反應器的坩堝的感應加熱而間接地預熱並熔化原料矽，其中如此熔化的矽的汽化主要由電弧實現。
此外，本文描述的實施例在另一態樣是提供一種裝置，其中複數個孔界定在渦旋件中，孔的數量及直徑被選擇用來調節淬熄速率。
此外，本文描述的實施例在另一態樣是提供一種裝置，其中淬熄系統適於提供選定的淬火氣體進入角度。
此外，本文描述的實施例在另一態樣是提供一種裝置，其中淬熄系統適於調節淬火氣體的流速。
此外，本文描述的實施例在另一態樣是提供一種裝置，其中延伸部從反應器的坩堝向外突出，以將坩堝連接至電源器。
此外，本文描述的實施例在另一態樣是提供一種裝置，其中電極設置在反應器的底部上方，原料矽適於設置在反應器的底部上，淬熄系統適於在原料矽與電極的下端之間供應淬火氣體，其中在作為陰極的電極與作為陽極的熔化的原料矽之間設置有電弧。
此外，本文描述的實施例在另一態樣是提供一種裝置，其中在反應器的上端設置有用於向其供給原料矽的入口，以及其中在反應器的上端設置有用於從反應器中取出經淬熄的粒子的出口。
此外，本文描述的實施例在另一態樣是提供一種裝置，其中出口在其下游與適於過濾經淬熄的粒子的過濾單元連通。
此外，本文描述的實施例在另一態樣是提供一種使用由上述裝置中的任一者生產的奈米矽碳塗層複合物製造鋰離子電池的裝置。
301:反應器
302:真空泵
303:淬熄系統
304,701:淬火氣體
305:過濾室
306:燭式過濾器
307:收集器
308:手套箱
401:消耗性石墨電極、陰極
402:電源供應器
403:電極密封劑
404:石墨坩堝、坩堝
405:延伸部
405-a,405-b,405-c:耐火材料
406:原料矽、負載
407:進料口
408,410:箭頭
409,501:渦旋件
411:汽化/淬熄/成核區
412:出口
413:電弧
502:孔
601:感應線圈
702:中空石墨電極、中空電極
為了更好地理解本文所述的實施例並更清楚地顯示它們如何實現，現在僅以舉例的方式參考顯示至少一示例性實施例的隨文檢附的圖式，其中：
圖1是顯示根據一示例性實施例生產的奈米矽粒子的掃描式電子顯微鏡(SEM)影像；
圖2是顯示根據一示例性實施例由SEM產生的奈米矽線及粒子的SEM影像；
圖3是根據一示例性實施例之奈米矽及/或奈米矽碳塗層複合物生產的處理步驟的示例性示意圖；
圖4是根據一示例性實施例之反應器的示意性垂直剖面圖；
圖5是根據一示例性實施例之用於淬火氣體(或任何類型的惰性氣體或惰性氣體與烴的混合物)的圖4的反應器的渦旋件的示意性底部平面圖；
圖6是根據一示例性實施例之包含使用感應線圈的預熱系統的反應器的示意性垂直剖面圖；
圖7是根據一示例性實施例之包含透過中空石墨電極的淬火氣體注入(烴注入)的反應器的示意性垂直剖面圖；以及
圖8是根據一示例性實施例之包含透過中空石墨電極及渦旋件的淬火氣體注入(烴注入)的反應器的示意性垂直剖面圖。
本申請標的是關於一種使用純矽作為原材料而沒有其他預處理材料的方法。已知電弧製程是可擴展的，因為知道計算出的矽比汽化能約為5kWhr/kg，這在許多不同電弧製程的能量要求之內(例如與Siemens製程100kWh/kg(參考文獻19)相比，矽熔化需要11-13kWhr/kg的矽(參考文獻18))。
本申請標的揭露一種用於生產以粒子、奈米線或兩者組合的形式的奈米矽及/或奈米矽碳塗層複合物的方法，所述複合物的直徑小於1μm，較佳小於300nm，並且最佳小於150nm，用於鋰離子電池陽極的高容量及高能源效率製造。更具體地，本文提供藉由調節碳前驅物的類型及氣體混合物中的濃度用於具有或不具有特定碳層厚度及碳濃度的球形奈米矽粉末及奈米線生產的方法。
因此，本申請標的提供奈米矽及/或奈米矽碳塗層複合物粉末生產的實施例，其使用類似於國際專利公開第WO 2019/071335 A1號(參考文獻20，於2019年4月18日以Pyrogenesis Canada Inc.公開)中所述的直流傳輸電弧爐，但有一些關鍵差異。在本實施例中，反應器在真空下，並且作為淬火氣體注入器的渦旋件被添加到反應器中以在汽化區中引入烴(碳前驅物)。為了相同的目的，烴前驅物的注入也可以用中空石墨電極完成。使用中空電極的目的主要是出於以下幾個原因以引入氣體：藉由穩定電弧並降低汽化活化能或濺射來提高汽化率、藉由在熱區中分解烴來引入碳原子、以及產生電漿，用於使氣體被矽原子過飽和，從而有效地進行成核過程，產生奈米矽或奈米矽碳塗層複合物。
反應器配備有一個可消耗電極作為陰極，儘管也可以使用更多的電極來增加汽化及生產率。電極是可垂直移動的，以控制電弧電壓並補償電極腐蝕。一旦原料矽被熔化，其用作陽極，並且轉移到矽陽極的電弧會有效地將其汽化。在此方法中，電弧被用來從矽中產生過飽和蒸氣，然後以高淬熄速率引發矽原子的成核及凝結，以形成奈米矽粒子。
該方法不限於奈米矽粒子的生產，並且取決於氣體速度及反應器壓力，也可以生產奈米矽線及/或奈米矽線碳塗層複合物(參見圖1和圖2)。
圖3總結生產奈米矽及/或奈米矽碳塗層複合物的處理步驟。作為原料的矽片或較佳為粉末形式可以作為連續過程連續地進料，或者作為分批過程而預先裝載在反應器301中。一旦矽在反應器301中熔化並汽化，真空泵302就將蒸氣轉移至淬熄系統303，在該系統中，淬火氣體304(僅惰性氣體(諸如氬氣)或惰性氣體與含碳前驅物(諸如烴)的混合物)淬熄蒸氣。真空泵302用於維持反應器301中的負壓並調節反應器壓力，以控制粉末特性(D 50及粉末粒子大小分布(PSD))及汽化溫度(壓力越低，汽化溫度越低)，以使氧氣含量降至最低。
惰性氣體用於防止奈米粒子的氧化並控制矽的汽化及淬熄速率。使用惰性氣體作為淬火氣體來生產不需要碳塗層的奈米矽。經淬熄的粒子被轉移到過濾室305中並沉積在適當的過濾介質(諸如燭式過濾器306)上，然後將粒子收集在密封的收集器307中。最後步驟是將收集的粉末轉移到具有經控制的惰性大氣的手套箱308中，以避免奈米矽粉末氧化。
如以下實施例中所述，淬熄系統可以直接集成到反應器中，即內部淬熄，以獲得更高淬熄速率，其中淬火氣體立即影響汽化區中的矽蒸氣。對於內部淬熄，本申請標的提供用於生產奈米粒子的操作構造。
對於外部淬熄，淬熄可以藉由第拉瓦噴嘴(C-D噴嘴)或冷氣流或液體流或固態淬熄進行。在任一種情況下，粉末由燭式過濾器過濾並收集在粉末收集器中。
以下實施例實例可以用於奈米矽碳塗層複合物生產，其中提供將烴(作為碳前驅物)注入系統中以引發碳溶解到矽粒子中的構造及方法。烴注入也可以由上述兩種構造的組合來完成。兩種反應器構造均可以用於生產純奈米矽，也無需注入烴。
實施例1
圖4是代表該方法的主要部分，即反應器。本發明所使用的反應器是國際專利公開第WO 2019/071335 A1號(參考文獻20)中描述的真空電弧爐的改進形式。在本反應器中，添加氣體注入器以將高速惰性氣體或惰性氣體與碳前驅物的混合物轉移至靠近電弧的區域。使用在本實施例中的反應器包括消 耗性石墨電極401，或者由其他材料製成，作為連接到電源供應器402的陰極，並且透過電極密封劑403連接到反應器。石墨坩堝404透過延伸部405連接到電源供應器402，並由耐火材料405-a、405-b和405-c的層絕緣以在足夠高的溫度下操作反應器以供矽的熔化及後續汽化。
對於分批過程，可以將原料矽406預裝在坩堝404中，或者較佳可以透過進料口407連續地進料以連續操作。電弧首先在陰極401與坩堝404的底部之間點燃，以預熱並熔化負載406，然後將電弧413轉移到熔融矽中，以有效地汽化矽。作為碳前驅物或以惰性氣體如氬氣(或任何種類的惰性氣體)稀釋的形式的純烴，用作淬熄劑，在408箭頭處由渦旋件409注入並以特定角度及特定速度在410箭頭處進入汽化/淬熄/成核區411。矽的汽化、淬熄及成核過程較佳在電弧413周圍的區域中發生。烴可以是乙烷(C2H6)、乙烯(CH2)、甲烷(CH4)、丙烷(C3H8)或任何其他HxCy形式的烴。
粉末及氣體透過出口412轉移到圖3的過濾室305中。可以由圖5中所示的渦旋件501的孔502的數量和直徑以及圖4中的氣體流率調節淬熄速率。更具體地，選擇淬火氣體進入角度，以及渦旋孔的數量及直徑取決於所期望的淬火氣體速率。惰性氣體的類型也會影響淬熄速率。
實施例2
或者，在第二實施例中，可以由感應線圈601獲得矽的預熱/熔化製程，如圖6所示。在這種情況下，矽的汽化主要是由電弧實現。
實施例3
在圖7中呈現作為另一個示例的第三實施例，其中可以在不使用圖4和圖6的渦旋件409的情況下經由中空石墨電極702(或由其他材料製成)將淬火氣體701引入到圖4的汽化/淬熄/成核區411中。因此，淬火氣體(氬氣或任何種類的惰性氣體或惰性氣體與烴的混合物)直接朝向電弧方向進入汽化/淬熄/成核區411。
實施例4
在作為進一步示例的第四實施例中，藉由透過渦旋件409(圖4和圖6)及中空電極702(圖7)這兩者將淬火氣體(氬氣或任何種類的惰性氣體或惰性氣體與烴的混合物)引入，可以按照圖8所示的配置實現汽化/淬熄/成核過程。在本實施例中，淬火氣體(氬氣或任何種類的惰性氣體或惰性氣體與烴 的混合物)701可以透過中空電極702及渦旋件409引入到圖4中的汽化/淬熄/成核區411中。這種配置導致更高的淬熄速率，更具體而言，如果使用烴，則碳在矽粒子中的溶解度更高。
儘管以上描述提供實施例的示例，但是將理解的是，在不脫離所描述的實施例的精神及操作原理的情況下，所描述的實施例的一些特徵及/或功能易於修飾。因此，上面已經描述的內容旨在說明實施例而不是限制性的，並且本技術領域中熟習此技術者將理解，在不脫離隨文檢附的申請專利範圍中所定義的實施例的範疇的情況下，可以做出其他變形體及修飾。
本申請主張於2019年10月9日提交之待審查的美國臨時申請第62/913,152號的優先權，其透過引用併入本案中。
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301:反應器
302:真空泵
303:淬熄系統
304:淬火氣體
305:過濾室
306:燭式過濾器
307:收集器
308:手套箱

Claims (48)

  1. 一種用於生產純奈米矽或奈米矽碳塗層複合物的方法，包括：
    a)使用一種或多種直流傳輸電弧熔化及汽化矽；以及
    b)淬熄矽蒸氣以形成奈米粒子及奈米線的至少一者。
  2. 如請求項1所述的方法，其中提供一反應器，該反應器包括該電弧、一電極、以及一坩堝。
  3. 如請求項2所述的方法，其中該反應器是在真空下。
  4. 如請求項2或3所述的方法，其中將氣體注入該反應器中以淬熄該矽蒸氣。
  5. 如請求項4所述的方法，其中該氣體由一渦旋件注入。
  6. 如請求項4所述的方法，其中該電極是中空的，且該氣體經由該電極注入。
  7. 如請求項1至6中任一項所述的方法，其中該電極是可消耗的及可移動的，以控制一電弧電壓並補償電極腐蝕。
  8. 如請求項1至7中任一項所述的方法，其中用於淬熄該矽蒸氣的一淬火氣體包括一惰性氣體，諸如氬氣。
  9. 如請求項1至7中任一項所述的方法，其中用於淬熄該矽蒸氣的一淬熄混合物包括一惰性氣體及含碳的前驅物，諸如烴，以將烴引入一汽化區中。
  10. 如請求項1至4中任一項所述的方法，其中該矽蒸氣的淬熄經由一渦旋件及一中空電極的至少一者在該反應器內部進行。
  11. 如請求項1至4中任一項所述的方法，其中該矽蒸氣的淬熄是在該反應器的外部進行，例如使用一第拉瓦噴嘴(C-D噴嘴)、一冷氣流或液體流、以及一固態淬熄的其中一者。
  12. 如請求項1至11中任一項所述的方法，其中經淬熄的粒子被過濾，例如使用燭式過濾器，然後將其收集在一密封的收集器中，並且隨後將所收集的粉末轉移至例如具有經控制的惰性大氣的一手套箱中以避免氧化。
  13. 如請求項1至12中任一項所述的方法，其中原料矽在分批中或經由連續進料提供。
  14. 如請求項2至13中任一項所述的方法，其中原料矽首先被該電極與該反應器的一坩堝的一底部之間的一電弧熔化，一熔化的矽作為一陽極，然後被該電極與該陽極之間形成的一電弧汽化。
  15. 如請求項2至13中任一項所述的方法，其中原料矽首先被一感應線圈熔化，一熔化的矽作為一陽極，然後被該電極與該陽極之間形成的一電弧汽化。
  16. 如請求項15所述的方法，其中該感應線圈設置在該反應器的壁中。
  17. 如請求項15所述的方法，其中該感應線圈適於直接預熱並熔化該原料矽，該熔化的矽的汽化主要由該電弧實現。
  18. 如請求項15所述的方法，其中該感應線圈適於透過對一坩堝的感應加熱而間接地預熱並熔化該原料矽，該熔化的矽的汽化主要由該電弧實現。
  19. 如請求項5或10所述的方法，其中一淬熄速率適於由界定在該渦旋件中的孔的數量和直徑以及氣體流速調節，並且還例如藉由選擇一淬火氣體進入角度來調節。
  20. 一種製造鋰離子電池的方法，係使用由請求項1至19中任一項所述的方法生產的奈米矽碳塗層複合物。
  21. 一種用於生產純奈米矽或奈米矽碳塗層複合物的裝置，包括：
    a)一反應器，包括至少一個電極，並適於提供至少一個電弧，例如一直流傳輸電弧，以熔化及汽化設置在該反應器中的矽；以及
    b)一淬熄系統，用於淬熄一如此產生的矽蒸氣，俾以形成奈米粒子及奈米線的至少一者。
  22. 如請求項21所述的裝置，其中該反應器包括一坩堝。
  23. 如請求項21或22所述的裝置，其中該反應器是在真空下，例如經由一真空泵。
  24. 如請求項21至23中任一項所述的裝置，其中設置有一氣體注入器，用於將一淬火氣體注入該反應器中以淬熄該矽蒸氣。
  25. 如請求項24所述的裝置，其中該淬火氣體由一渦旋件注入。
  26. 如請求項24所述的裝置，其中該電極是中空的，以及該氣體注入器包括該中空電極，用於經由該中空電極在該反應器的一腔室中注入該淬火氣體。
  27. 如請求項21至26中任一項所述的裝置，其中該電極是可消耗的及典型垂直地可移動的，以控制一電弧電壓並補償電極腐蝕。
  28. 如請求項24至27中任一項所述的裝置，其中用於淬熄該矽蒸氣的該淬火氣體包括一惰性氣體，諸如氬氣。
  29. 如請求項21至27中任一項所述的裝置，其中用於淬熄該矽蒸氣的一淬熄混合物包括一惰性氣體及含碳的前驅物，諸如烴，俾以將烴引入該反應器的一汽化區中。
  30. 如請求項21至24中任一項所述的裝置，其中該淬熄系統設置在該反應器的內部，並且包括用於淬熄該矽蒸氣的一渦旋件及一中空電極的至少一者。
  31. 如請求項21至24中任一項所述的裝置，其中該淬熄系統設置在該反應器的外部，並且包括例如一第拉瓦噴嘴(C-D噴嘴)、一冷氣流或液體流、以及一固態淬熄的其中一者。
  32. 如請求項21至31中任一項所述的裝置，其中一過濾系統設置在該反應器的外部並且適於過濾經淬熄的粒子，該過濾系統包括例如燭式過濾器。
  33. 如請求項21至32中任一項所述的裝置，其中一收集器設置在該反應器的外部並且適於收集過濾的粒子。
  34. 如請求項33所述的裝置，其中一手套箱設置在該收集器的下游並適於容納從該收集器接收的粉末，該手套箱具有經控制的惰性大氣以避免該粉末的氧化。
  35. 如請求項21至34中任一項所述的裝置，其中該反應器包括一進料口，用於將原料矽典型地以連續方式進料至一反應器腔室中。
  36. 如請求項21至35中任一項所述的裝置，其中該反應器包括一坩堝，以及一初始電弧適於設置在該電極與該坩堝的一底部之間以熔化設置在該反應器中的原料矽，然後如此熔化的矽適於用作一陽極並被形成在該電極與該陽極之間的該電弧汽化。
  37. 如請求項21至35中任一項所述的裝置，其中該反應器包括一感應線圈，適於熔化設置在該反應器中的原料矽，然後如此熔化的矽適於用作一陽極並被形成在該電極與該陽極之間的該電弧汽化。
  38. 如請求項37所述的裝置，其中該感應線圈設置在該反應器的壁中。
  39. 如請求項37所述的裝置，其中該感應線圈適於直接預熱並熔化該原料矽，該如此熔化的矽的汽化主要由該電弧實現。
  40. 如請求項37所述的裝置，其中該感應線圈適於透過對該反應器的一坩堝的感應加熱而間接地預熱並熔化該原料矽，該如此熔化的矽的汽化主要由該電弧實現。
  41. 如請求項25或30所述的裝置，其中複數個孔界定在該渦旋件中，該些孔的數量及直徑被選擇用來調節一淬熄速率。
  42. 如請求項41所述的裝置，其中該淬熄系統適於提供一選定的淬火氣體進入角度。
  43. 如請求項21至42中任一項所述的裝置，其中該淬熄系統適於調節該淬火氣體的一流速。
  44. 如請求項21至43中任一項所述的裝置，其中一延伸部從該反應器的一坩堝向外突出，以將該坩堝連接至一電源供應器。
  45. 如請求項21至44中任一項所述的裝置，其中該電極設置在該反應器的一底部上方，原料矽適於提供在該反應器的該底部，該淬熄系統適於在該原料矽與該電極的一下端之間供應淬火氣體，其中在作為一陰極的該電極與作為一陽極的一熔化的原料矽之間設置有該電弧。
  46. 如請求項21至45任一項所述的裝置，其中在該反應器的一上端設置有用於向其供給原料矽的一入口，以及其中在該反應器的一上端設置有用於從該反應器中取出經淬熄的粒子的一出口。
  47. 如請求項46所述的裝置，其中該出口在其下游與適於過濾該經淬熄的粒子的一過濾單元連通。
  48. 一種製造鋰離子電池的裝置，係使用由請求項21至47中任一項所述的裝置生產的奈米矽碳塗層複合物。
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