[發明專利]在碳基粉末上制備硅納米線用于電池中的制造設備和方法

有效

• 申請號: 201780056498.5
• 申請日: 2017-07-14
• 公開（公告）號: CN109689567B
• 公開（公告）日: 2022-09-09
• 發明（設計）人: 朱毅暋;V·普呂維納熱
• 申請（專利權）人: 1D材料公司
• 主分類號: C01B33/027
• 分類號: C01B33/027;C01B33/021;B82Y30/00;B82Y40/00;C23C16/24
• 代理公司: 中國貿促會專利商標事務所有限公司 11038
• 代理人: 譚冀

提供了在碳基粉末例如石墨上制備硅(Si)納米線的制造設備、系統和方法，碳基粉末上的硅納米線可用作鋰離子電池中的陽極。在一些實施方案中，描述了用于按比例增大的數量在碳基粉末上生長硅納米線的本發明的轉筒反應器和化學氣相沉積(CVD)系統和方法從而提供用于電池工業的生產規模陽極。

相關申請的交叉引用

這一申請要求2016年7月15日提交的題目為“Manufacturing Apparatus AndMethod For Making Silicon Nanowires On Carbon Based Powders For Use As AnodesIn The Battery Industry”的美國臨時專利申請序列號62/363,087的優先權和權益，其公開內容通過引用以其全文并入本文。

領域

本申請的實施方案大體上涉及在碳基基材上(例如在石墨粉末的顆粒上)生長硅(Si)納米線的制造設備、系統和方法以經濟地制備待使用在例如鋰離子電池中的硅-碳混合活性材料。更特別地，本申請的實施方案涉及本發明的轉筒反應器和化學氣相沉積(CVD)系統和方法用于以大規模數量在碳基基材上生長硅納米線從而滿足對于電池工業用活性材料的增長需求。

背景

改進的電池技術的發展持續吸引大量的努力和資源。鋰離子電池(LIB)是進一步進步的最有希望的領域之一。LIB通常包含陽極、陰極、將陰極和陽極分開的分隔體材料、和電解質。大部分的可商購的LIB的陽極通常包括涂覆有石墨粉末、黏合劑材料和/或傳導添加劑的混合物的銅箔集流體。大部分的可商購的LIB的陰極通常包括涂覆有鋰過渡金屬氧化物基陰極材料的鋁箔集流體。傳統的LIB陽極包括基于插層的活性材料，例如天然的或合成的石墨，其具有有限的充電容量并且達不到對于更高能量密度(體積或重量)、更高功率密度、更大循環壽命、更長電池使用期、更快充電速率、更大充電溫度范圍或工作范圍、更小腫脹、和其他關鍵性能指標而言提高的市場需求。

在過去十年中對于鋰離子電池(LIB)已經提出了具有改進的存儲容量和熱穩定性的各種陽極材料。硅(Si)由于其引人注目的特性已經被廣泛研究作為LIB中的陽極活性材料。碳基活性材料的理論比容量為372mAh/g，基于每6個碳原子(C)一個鋰原子(Li)的插層比。可使用在完全鋰化的碳基材料中比Li原子和C原子之間1/6的比率更高的Li與Si的比率形成Si和Li的合金。在這些合金中，Li/Si的比率范圍從對于合金相Li₁₂Si₇(具有1636mAh/g的理論容量)而言的1.71至對于合金相Li₁₅Si₄(具有3579mAh/g的理論容量)而言的3.75。最豐富的合金相Li₂₂Si₅具有4.4的比和4200mAh/g的理論容量，但是其在實際應用中通常達不到。除了較高的比容量之外，Si具有比石墨的電壓平臺稍微更高的電壓平臺，所以其具有引人注目的安全特性。此外，Si是充裕且便宜的材料，并且鋰化的Si比鋰化的石墨在典型的鋰離子電池電解質中更穩定。

盡管硅引人注目的特性，利用Si作為用于LIB的活性材料的商業化嘗試不成功。一些因素導致了這種不夠成功，包括缺少實際方案來解決在鋰化和脫鋰過程中高體積膨脹和收縮的有害后果，缺少方案來解決具有Si-基陽極的電芯的短循環壽命，以及與現有的商購碳基活性材料相比，甚至當成本比較考慮到含硅陽極改進的比容量時，缺少合適的方法可用于以合理的成本大規模生產高品質Si-基陽極材料。