TWI759209B - 矽氧化物之製備裝置 - Google Patents

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Abstract

一種矽氧化物之製備裝置，包括一加熱爐、一加熱裝置、一坩堝、一沉積盒、至少一排氣管道及一抽氣裝置，該坩堝及該沉積盒設置於該加熱爐中，該加熱裝置對該坩堝加熱使置於該坩堝中之固態原料形成一氣態矽氧化物，該沉積盒具有至少一入氣口及一出氣口，該沉積盒內部設置至少一吸附件；該至少一排氣管道之第一端設置鄰近於該坩堝之上開口的位置，該至少一排氣管道之第二端與該沉積盒之至少一入氣口連通；該抽氣裝置與該沉積盒之出氣口連通以將該氣態矽氧化物抽離該坩堝並使該氣態矽氧化物與該至少一吸附件之表面接觸以沉積一固態之矽氧化物。

Description

矽氧化物之製備裝置
本發明係與矽氧化物之製備裝置有關；特別是指一種能提升矽氧化物產量之製備裝置。
已知二次電池有鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子二次電池等，而鋰離子二次電池與鎳鎘電池或鎳氫電池相比，具有能量密度高、工作電壓高、記憶效應小以及可快速充電等特性，因此廣泛的被運用於例如平板電腦、智慧型手機、筆記型電腦、遊戲主機等電子裝置中。
鋰離子二次電池內部的反應主要是透過鋰離子於正極與負極之間往復移動以製造正極和負極之間的電位差，一般的鋰離子二次電池多以石墨為負極材料，而使用此種負極材料之鋰離子二次電池的能源密度很低，因此，為了提高能源密度，業界開發了多種新的負極材料，其中使用氧化矽作為鋰離子二次電池負極材料能獲得高電壓、 高能量密度之鋰離子二次電池。
習用之用於製備鋰二次電池之負極材料的矽氧化物製備裝置通常包含一原料容器、一加熱裝置、一析出室及一抽氣裝置，透過將含有氧化矽之粉末設置於該原料容器中並加熱氣化後，再藉由該抽氣裝置將氧化矽氣體抽離並使其流經該析出室，以析出固態氧化矽於該析出室之內壁，但使用習用矽氧化物製備裝置製備之矽氧化物產量不佳，因此，習用之矽氧化物製備裝置於結構設計上仍未臻完善，且尚有待改進之處。
有鑑於此，本發明之目的在於提供一種矽氧化物之製備裝置，能提升矽氧化物產量並利於使用者取出矽氧化物。
緣以達成上述目的，本發明提供的一種矽氧化物之製備裝置包括有一加熱爐、一加熱裝置、一坩堝、一沉積盒、至少一排氣管道及一抽氣裝置，該加熱爐內部具有由一隔熱材料圍設形成之一加熱區；該加熱裝置設置於該加熱區中；該坩堝設置於該加熱區中，用以容置一固態原料，該固態原料包括二氧化矽及矽，該加熱裝置對該坩堝加熱使該固態原料形成一氣態矽氧化物；該坩堝具有一上開口；該沉積盒設置於該加熱區與該加熱爐之內爐壁之間，該沉積盒具有至少一入氣口及一出氣口，該沉積盒包含至少一吸附件並設置於該沉積盒之內部空間中，該至少一吸附件之表面材質包含碳；該至少一排氣管道，具有一第一端及一第二端，該第一端設置於鄰近該坩堝的上開口的位置，該第二端與該沉積盒之該至少一入氣口連通；以及該抽氣裝置與該沉積盒之該出氣口連通；該抽氣裝置將該氣態矽氧化物抽離該坩堝，以使該氣態矽氧化物與該至少一吸附件之表面接觸以沉積一固態之矽氧化物。
本發明之效果在於，藉由該至少一吸附件之設置，能增加該沉積盒與氣態矽氧化物之接觸面積，且該至少一吸附件之表面材質包含碳之設計不僅能有效提升氧化矽析出的產量，也能避免產出之氧化矽有金屬汙染的問題。
為能更清楚地說明本發明，茲舉較佳實施例並配合圖式詳細說明如後。請參圖1所示，為本發明一較佳實施例之矽氧化物之製備裝置1，包含一加熱爐10、一加熱裝置20、一坩堝30、一沉積盒40、一排氣管道50以及一抽氣裝置60。
該加熱爐10內部具有由隔熱材料12圍設形成之一加熱區R，該加熱裝置20及該坩堝30設置於該加熱區R中，該坩堝30具有一上開口，該坩堝30係用以容置一固態原料，該固態原料包括二氧化矽及矽，該加熱裝置20包含有複數個加熱器，分別設置於圍繞該坩堝30之外側壁以及該坩堝30上方的位置，該加熱裝置20係用於對該坩堝30加熱使該固態原料形成一氣態矽氧化物，於本實施例中，該加熱裝置20能使該加熱區R之內部溫度維持於1300至1350度之間。
該沉積盒40設置於該加熱區R與該加熱爐10之內爐壁之間，該沉積盒40具有一入氣口40a及一出氣口40b，該沉積盒40包含複數個吸附件42並設置於該沉積盒40之內部空間中，該些吸附件之表面材質包含碳，該些吸附件42之熱傳導係數大於或等於16W/m.K，熔點大於1200度，該排氣管道50具有一第一端50a及一第二端50b，該第一端50a設置於鄰近該坩堝30的該上開口的位置，該第二端50b與該沉積盒40之該入氣口40a連通，且該抽氣裝置60與該沉積盒40之該出氣口40b連通，該抽氣裝置60可以是例如旋風集塵器，透過該旋風集塵器可以使氣態矽氧化物於該旋風集塵器析出，藉此提高提升固態矽氧化物之收集率。藉此，該抽氣裝置60能將該氣態矽氧化物抽離該坩堝30，以使該氣態矽氧化物與該些吸附件42之表面接觸以於該些吸附件42之表面生成固態之矽氧化物，且透過該些吸附件42之設置及該些吸附件42之表面材質包含碳之設計，不僅能增加該沉積盒40與氣態矽氧化物之接觸面積以提升矽氧化物析出的產量，也能避免產出之矽氧化物有金屬汙染的問題，舉例來說，該些吸附件42可為石墨或碳/碳複合材製成之構件。再說明的是，於其他實施例中，吸附件42之數量也可以是一個，並不以本實施例中之複數個吸附件42為限。於本實施例中，該矽氧化物之製備裝置1包含一遮罩70，該遮罩70覆蓋該坩堝30之該上開口，且該遮罩70具有一開孔70a，該開孔70a連通該排氣管道50之該第一端50a及該坩堝30之內部，藉由該遮罩70之設置能限制氣態矽氧化物之流動區域，進而提升固態矽氧化物之收集率。
於本實施例中，如圖2及圖3所示，該沉積盒40包含一盒體44、一隔板46及一盒蓋48，該盒體44具有一左側板441、一右側板442、一後側板443、一頂板444、一底板445及一側開口44a，該頂板444及該底板445相對設置、該左側板441及該右側板442相對設置，該後側板443分別連接該左側板441、該右側板442、該頂板444及該底板445，該頂板444具有該出氣口40b，該底板445具有該入氣口40a，該隔板46設置於該頂板444及該底板445之間，該些吸附件42設置於該隔板46與該底板445之間，該盒蓋48用以封閉該側開口44a。其中該隔板46一端緣連接於該後側板443，且該隔板46與該沉積盒40之側壁間也就是該左側板441及該右側板442間分別具有一間距D1，該間距D1為5~10cm，優選為5~8cm，藉此，該出氣口40b與該入氣口40a能透過該間距D1相連通，也就是說，氣體能自該沉積盒40之該入氣口40a進入該沉積盒40內部後，通過該隔板46分別與該左側板441或該右側板442之間距D1，由該出氣口40b排出該沉積盒40。選用該間距D1為5~10cm是為了提供適當氣體流動速率以提升固態矽氧化物之收集率，當該間距D1小於5cm時，自該入氣口40a進入該沉積盒40之氣體受該間距D1之限制而不易流通導致氣體流動速率過慢，而影響於各該吸附件42上生成之固態矽化物產量，而當該間距大於10cm時，自該入氣口40a進入該沉積盒40之氣體容易經該間距D1快速地由該出氣口40b排出該沉積盒40，同樣會影響各該吸附件42上生成之固態矽化物產量。
於本實施例中，是以該隔板46連接於該後側板443以及該隔板46與該左側板441及該右側板442間分別具有一間距D1為例說明，於其他實施例中，不排除該隔板46也可以是連接於該左側板441、該右側板442或該後側板443中之至少一者，且該隔板46與該沉積盒40之該左側板441、該右側板442或該後側板443中之至少一者之間具有一間距D1，一樣能達成連通該出氣口40b與該入氣口40a之效果。除此之外，如圖4所示，該隔板46也可以是連接於該盒蓋48上，藉此，當使用者將該盒蓋48開啟時能同時將各該吸附件42自該沉積盒40之盒體44中取出，如此一來即能順利取得於各該吸附件42上生成之固態矽化物產物。於本實施例中，使用者使透過刮刀手動將各該吸附件42刮除，以取得各該吸附件42上生成之固態矽化物產物，於其他實施例中，不排除該沉積盒40中設置刮刀自動將各該吸附件42刮除，以取得各該吸附件42上生成之固態矽化物產物。
其中，各該吸附件42為棒狀，該些吸附件42之直徑X介於0.5至1公分，長度H介於15至20公分，各該吸附件42間之間距Y介於3至5公分 ，且各該吸附件42之棒體的兩端分別具有相對的一第三端42a及一第四端42b，該第四端42b相對該第三端42a設置於接近該入氣口40a的位置，藉此以增加該沉積盒40與氣態矽氧化物之接觸面積。於本實施例中，該些吸附件42之該第三端42a是連接於該隔板46，於其他實施例中，也可以如圖5所示，不設置隔板46，各該吸附件42能直接連接於該沉積盒40之該頂板444。再說明的是，於本實施例中，各該吸附件42是以可拆離的方式設置於該沉積盒40中，舉例來說，各該吸附件42可以透過螺合的方式結合於該隔板46上，如此一來，使用者能將各該吸附件42自該沉積盒40取出，以利於取得於各該吸附件42上生成之固態矽化物產物。於本實施例中，各該吸附件42是不能相對該沉積盒40移動的設置於該沉積盒40中，於其他實施例中，不排除各該吸附件42是以能相對該沉積盒40移動的方式設置於該沉積盒40中，舉例來說，設置於接近該入氣口40a的位置之吸附件42，能移動至遠離該入氣口40a的位置，而設置於遠離該入氣口40a的位置之另一吸附件42，能移動至接近該入氣口40a的位置，藉此以提升固態矽氧化物之收集率。
請再配合圖3，該些吸附件42中之一者具有一長軸向且該長軸向的延伸線L通過該入氣口40a，也就是說該吸附件42是設置於該入氣口40a的上方，且該吸附件42與該入氣口40a間相隔一距離D2，也就是該吸附件42與該底板445間之最小間距，該距離D2為3~13公分，該距離D2選用3~13公分是因為各該吸附件42與該底板445之最小間距為3~13公分可以獲得較佳單一吸附件之固態矽化物產出率，依據發明人之實驗數據，當各該吸附件42與該底板445之最小間距為6公分及10公分時單一吸附件之固態矽化物產出率分別為37%及35%，當各該吸附件42與該底板445之最小間距為3公分時單一吸附件之固態矽化物產出率為11%，當各該吸附件42與該底板445之最小間距為13公分及15公分時，單一吸附件之固態矽化物產出率分別為13%及6%，透過上述實驗數據可知，該距離D2優選為6~10公分，能獲得最佳單一吸附件之固態矽化物產出率。
除此之外，於本實施例中，該些吸附件42之長度H是依據各該吸附件42與該入氣口40a的距離而設置，與該入氣口40a距離越接近之吸附件42的長度H須相對與該入氣口40a距離越遠之吸附件42的長度短，如此一來，不僅能增加該吸附件42與氣態矽氧化物之接觸機率，還能避免於該吸附件42上生成之固態矽化物堵塞該入氣口40a。
於本實施例中，是以該沉積盒40具有一入氣口40a並配合設置一排氣管道50為例說明，實務上，該沉積盒40也可以設置複數個入氣口40a，並對應的設置複數個排氣管道50，舉例來說，請配合圖6及圖7，該沉積盒40也可以設置三個入氣口40a，並對應設置三個排氣管道50，其中三個吸附件42之長軸向的延伸線L分別對應通過該些入氣口40a並與對應的入氣口40a相隔一距離，藉此以增加吸附件42與氣態矽氧化物之接觸機率及接觸面積，進而大幅提升固態矽氧化物之產量。於其他實施例中，入氣口及排氣管道之數量也可以是分別為兩個或是三個以上。
進一步說明的是，於本實施例中，該些吸附件42是以彼此間隔一距離的方式排列為一橫列為例說明，實務上，該些吸附件也可以是以排列為一陣列或是各種不同的排列圖樣，或者是該些吸附件以彼此不等間距的方式設置，例如，相較設置於遠離該入氣口40a的上方之吸附件，設置於鄰近於該入氣口40a的上方之吸附件能以彼此間隔距離較緊密的方式排列，並不以上述實施例為限。請配合圖8為另一實施例之吸附件於沉積盒內部排列分布示意圖，其中，吸附件421、吸附件422、吸附件423、吸附件424、吸附件425、吸附件426及吸附件427為上述實施例中所述之棒狀吸附件，吸附件428為薄板狀吸附件，請配合下表1，為沉積盒中各吸附件之固態矽化物產出率%，根據表1可見吸附件428為薄板狀吸附件同樣能使氣態矽氧化物與吸附件428之表面接觸以於吸附件428薄板表面生成固態之矽氧化物，值得一提的是，吸附件423之該長軸向的延伸線L通過該入氣口40a，也就是說該吸附件423是設置於該入氣口40a的上方，如表1所示，該吸附件423透過設置於該入氣口40a的上方能得較佳單一吸附件之固態矽化物產出率%。
表1
吸附件 固態矽化物產出率%
吸附件421、424、425、427 3.00%
吸附件422 4.10%
吸附件423 16.80%
吸附件428 1.80%
吸附件426 5.30%
綜上所述，透過本發明之該些吸附件42之設置，能增加該沉積盒40與氣態矽氧化物之接觸面積，且該些吸附件之表面材質包含碳之設計不僅能有效提升氧化矽析出的產量，也能避免產出之氧化矽有金屬汙染的問題。以上所述僅為本發明較佳可行實施例而已，舉凡應用本發明說明書及申請專利範圍所為之等效變化，理應包含在本發明之專利範圍內。
［本發明］ 1:矽氧化物之製備裝置 10:加熱爐 12:隔熱材料 20:加熱裝置 30:坩堝 40a:入氣口 40b:出氣口 40:沉積盒 42:吸附件 42a:第三端 42b:第四端 44:盒體 441:左側板 442:右側板 443:後側板 444:頂板 445:底板 44a:側開口 46:隔板 48:盒蓋 50:排氣管道 50a:第一端 50b:第二端 60:抽氣裝置 70:遮罩 70a:開孔 D1:間距 D2:距離 H:長度 L:延伸線 R:加熱區 X:直徑 Y:間距
圖1為本發明一較佳實施例之矽氧化物之製備裝置的示意圖。 圖2為上述較佳實施例之沉積盒的部分構件分解示意圖。 圖3為上述較佳實施例之沉積盒之盒體的示意圖。 圖4為另一較佳實施例之沉積盒的部分構件分解示意圖。 圖5為另一較佳實施例之沉積盒之盒體的示意圖。 圖6為另一較佳實施例之矽氧化物之製備裝置的示意圖。 圖7為另一較佳實施例之沉積盒之盒體的示意圖。 圖8為另一較佳實施例之吸附件於沉積盒內部排列分布示意圖。
1:矽氧化物之製備裝置
10:加熱爐
12:隔熱材料
20:加熱裝置
30:坩堝
40a:入氣口
40b:出氣口
40:沉積盒
42:吸附件
50:排氣管道
50a:第一端
50b:第二端
60:抽氣裝置
70:遮罩
70a:開孔
R:加熱區

Claims (13)

  1. 一種矽氧化物之製備裝置，包含：一加熱爐，內部具有由一隔熱材料圍設形成之一加熱區；一加熱裝置，設置於該加熱區中；一坩堝，設置於該加熱區中，用以容置一固態原料，該固態原料包括二氧化矽及矽，該坩堝具有一上開口；一沉積盒，設置於該加熱區與該加熱爐之內爐壁之間，該沉積盒具有至少一入氣口及一出氣口，該沉積盒包含至少一吸附件並設置於該沉積盒之內部空間中，該至少一吸附件之表面材質包含碳；至少一排氣管道，具有一第一端及一第二端，該第一端設置於鄰近該坩堝的該上開口的位置，該第二端與該沉積盒之該至少一入氣口連通；以及一抽氣裝置，與該沉積盒之該出氣口連通。
  2. 如請求項1所述之矽氧化物之製備裝置，其中該至少一吸附件與該至少一入氣口間相隔一距離，該距離為3~13cm。
  3. 如請求項2所述之矽氧化物之製備裝置，其中該至少一吸附件具有一長軸向，該長軸向的延伸線通過該至少一入氣口。
  4. 如請求項3所述之矽氧化物之製備裝置，其中該至少一吸附件之數量為複數個，該些吸附件中之一者具有該長軸向。
  5. 如請求項3所述之矽氧化物之製備裝置，其中該至少一吸附件為棒狀，該至少一吸附件具有相對的一第三端及一第四端，該第四端相對該第三端設置於接近該至少一入氣口的位置。
  6. 如請求項5所述之矽氧化物之製備裝置，其中該沉積盒包含一隔板以及相對設置的一頂板及一底板，該頂板具有該出氣口，該底 板具有該至少一入氣口，該隔板設置於該頂板及該底板之間，該至少一吸附件設置於該隔板與該底板之間，該至少一吸附件之該第三端連接於該隔板。
  7. 如請求項6所述之矽氧化物之製備裝置，其中該隔板與該沉積盒之側壁間具有至少一間距，該出氣口與該至少一入氣口透過該至少一間距相連通。
  8. 如請求項7所述之矽氧化物之製備裝置，其中該沉積盒包含一盒體及一盒蓋，該盒體具有一側開口，該盒蓋用以封閉該側開口，該隔板連接於該盒蓋上。
  9. 如請求項3所述之矽氧化物之製備裝置，其中該些吸附件以彼此間隔一距離的方式排列。
  10. 如請求項1所述之矽氧化物之製備裝置，其中該沉積盒包含相對設置的一頂板及一底板，該頂板具有該出氣口，該底板具有該至少一入氣口，該至少一吸附件連接於該頂板。
  11. 如請求項1至10中任一項所述之矽氧化物之製備裝置，其中該至少一吸附件為石墨或碳/碳複合材製成。
  12. 如請求項7中所述之矽氧化物之製備裝置，其中該至少一間距為5~10公分。
  13. 如請求項1所述之矽氧化物之製備裝置，其中該至少一入氣口及該至少一排氣管道之數量分別為複數個並對應連通。
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