[發(fā)明專利]一種大產量低成本生產氧化亞硅的汽化沉積設備

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• 申請日: 2017-07-04
• 公開（公告）號: CN107176609A
• 公開（公告）日: 2017-09-19
• 發(fā)明（設計）人: 張元友
• 申請（專利權）人: 山西科德技術陶瓷有限公司
• 主分類號: C01B33/113
• 分類號: C01B33/113
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發(fā)明涉及一氧化硅生產設備技術領域，具體涉及一種大產量低成本生產氧化亞硅的汽化沉積設備。

背景技術

氧化亞硅，又名一氧化硅，是黑棕色到黃土色無定形粉末，白色立方晶體，結構為空間網狀，不會自燃，不溶于水，熔點大于1702攝氏度，沸點是1880攝氏度，密度是2.13g/立方厘米。SiO是一種不穩(wěn)定的硅氧化物，在空氣中加熱時會形成白色的二氧化硅粉末。 SiO其實并不是一個純化合物，它實際上是非晶態(tài)的納米Si顆粒通過特殊的合成方法均勻地分散到無定形的SiO2體相中形成的一種納米復合材料，SiO的儲鋰容量來自于分散在SiO2里面的納米Si顆粒。氧化亞硅的主要用途：用于光學玻璃和半導體材料；作為精細陶瓷合成原料，如氮化硅、碳化硅精細陶瓷粉末原料；蒸發(fā)涂覆在光學儀器的金屬反射鏡面上作保護膜；鋰離子電池的高容量負極材料。

近年來，由于智能手機、平板電腦的快速普及，尤其是在國家大力發(fā)展新能源電動汽車的政策鼓舞下，鋰離子電池的市場進入了快速發(fā)展通道，同時，隨著新能源汽車的飛速發(fā)展，必須要大幅度提高動力鋰離子電池的能量密度。工信部主導制定的《節(jié)能與新能源汽車產業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012-2020年）》中明確提出，2020年動力電池模塊比能量要達到300Wh/kg。這意味著電芯能量密度至少要在350Wh/kg以上，同時成本降低一半，達到1元/Wh以下（指電芯）。因此，隨著新能源汽車在實際應用中對續(xù)航里程要求的不斷提高，目前的材料體系明顯已無法實現這些目標，難以滿足現實需求，大規(guī)模研發(fā)并推廣應用新型高能量高性能材料迫在眉睫。

具體而言，提升動力鋰離子電池的能量密度的問題就變得異常迫切。負極材料是鋰離子電池的重要組成部分，它直接影響著電池的能量密度、循環(huán)壽命和安全性能等關鍵指標。目前氧化亞硅（SiO）負極材料是業(yè)界認為最有希望產業(yè)化的新一代高容量硅基負極材料。SiO 負極材料的比容量為2400 mAh/g，實際可逆容量在1500mAh/g以上，而石墨的理論比容量僅為372mAh/g。與石墨負極材料相比，硅基負極材料的能量密度優(yōu)勢明顯。石墨的理論能量密度是372 mAh/g，而硅負極的理論能量密度超其10倍，高達4200mAh/g。硅碳復合材料能大大提升單體電芯的容量，有效緩解業(yè)內對電動汽車續(xù)航里程的擔憂。

資料顯示，美國特斯拉Tesla發(fā)布的Model 3電動汽車就采用了硅碳負極作為動力電池新材料，即日本松下新一代高容量18650電池，負極采用了少量SiO（～10%）混合人造石墨，通過在人造石墨中加入10%的硅基材料，特斯拉讓電池容量達到了550mAh/g以上，電池能量密度可達300wh/kg；日本GS湯淺公司已推出采用硅基負極材料的鋰電池，并成功應用在了三菱汽車上；此外，日本三井金屬也雄心勃勃地要將硅負極鋰電池推向消費電子和電動汽車兩大領域。

氧化亞硅的生產采用汽化沉積法，其反應式為: SiO2+Si=2SiO 。由于氧化亞硅的生產條件非常苛刻，目前國內SiO粉體的工業(yè)化生產主要是在八十年代的實驗室基礎上延用半導體工業(yè)的高溫蒸發(fā)工藝，生產設備產量小，單體生產設備單產僅為5-10公斤，生產使用電加熱方式，耗能高，導致生產成本非常高。日本企業(yè)改進了SiO生產方法，通過高能球磨納米/微米級的Si粉和SiO2顆粒然后熱處理得到SiO粉體，再進行額外的碳包覆（有機碳源熱解或者CVD包覆）來提高材料的導電性。傳統的生產工藝設備決定了SiO的成本要遠高于石墨類負極材料，比如日本某公司提供的樣品價格高達100$/Kg，國內價格也在100RMB/Kg，雖然量產以后成本會有所下降，但價格仍然是電池廠家所關注的主要問題，居高難下的使用成本嚴重阻礙了SiO在硅基復合負極材料的大規(guī)模應用。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于針對現有技術的缺陷和不足，提供一種結構簡單，設計合理、使用方便的大產量低成本生產氧化亞硅的汽化沉積設備，單體生產設備單產可以達到500-600公斤，并大幅度降低SiO的生產成本，較目前國內外同類產品相比具有極強的市場競爭力，為SiO在硅基復合負極材料的大規(guī)模應用奠定堅實的原始材料基礎。