[發(fā)明專利]一種宏量制備硅納米材料的方法及裝置

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910607007.2
• 申請(qǐng)日: 2019-07-06
• 公開（公告）號(hào): CN110156022A
• 公開（公告）日: 2019-08-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 不公告發(fā)明人
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 金雪莉
• 主分類號(hào): C01B33/03
• 分類號(hào): C01B33/03;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 臺(tái)州藍(lán)天知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 33229
• 代理人: 孫煒

本發(fā)明屬于納米材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種宏量制備硅納米材料的方法，包括如下步驟：將含硅氣體和惰性氣體輸入到等離子體槍中，在等離子體槍內(nèi)電離及熱分解出硅離子和氫離子；使經(jīng)過(guò)電離及熱分解打開的硅離子和氫離子進(jìn)入生長(zhǎng)控制器中，重新生成硅納米線或/和硅納米顆粒；重新生成的硅納米線或/和硅納米顆粒進(jìn)入冷卻容器中，經(jīng)冷卻氣體環(huán)釋放出的冷卻氣體快速冷卻穩(wěn)定成型。本發(fā)明還提供了一種宏量制備硅納米材料的裝置。本發(fā)明提供的宏量制備硅納米材料的方法及裝置，實(shí)現(xiàn)了硅納米材料尤其是硅納米線的工業(yè)化制備，大幅度降低了材料制造成本。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于納米材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種宏量制備硅納米材料的方法及裝置。

背景技術(shù)

國(guó)家工信部提出，到2020年我國(guó)動(dòng)力電池能量密度需要達(dá)到300wh/kg，爭(zhēng)取達(dá)到350wh/kg，2022年目標(biāo)400wh/kg，同時(shí)制造成本低于1元人民幣每瓦，因此給高容量鋰離子電池材料帶來(lái)跳戰(zhàn)，要具備首次庫(kù)倫效率高，比容量高，循環(huán)性能好和制造成本低要求。

目前國(guó)內(nèi)特別晶體硅納米應(yīng)用于鋰離子電池材料還存在諸多問(wèn)題，同時(shí)滿足以上四合一要求(即硅鋰離子電池負(fù)極材料工業(yè)化運(yùn)用的四個(gè)條件：首次放電比容量高，首次庫(kù)倫效率高，循環(huán)性能高以及工業(yè)化成本低)的高品質(zhì)硅碳負(fù)極材料還是嚴(yán)重困擾鋰離子電池材料產(chǎn)業(yè)，高品質(zhì)硅碳負(fù)極材料至今日我國(guó)鋰電池企業(yè)還是依賴從發(fā)達(dá)國(guó)家日本等國(guó)進(jìn)口來(lái)解決，嚴(yán)重對(duì)我國(guó)大力發(fā)展新能源汽車產(chǎn)業(yè)，采用彎道超車來(lái)改變我國(guó)相對(duì)落后的現(xiàn)狀傳統(tǒng)汽車工業(yè)的產(chǎn)業(yè)規(guī)劃受阻。另外，無(wú)法有效宏量制備納米材料也是嚴(yán)重困擾這一行業(yè)的技術(shù)問(wèn)題。

為了實(shí)現(xiàn)宏量制備納米材料，氣相法是最有發(fā)展前景的一種方法。中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)CN108101061A公開了一種納米硅粉的制備方法，包括如下步驟： (1)向等離子發(fā)生器中引入硅烷，經(jīng)電離分解，重新成核得到納米硅顆粒；(2)納米硅顆粒經(jīng)過(guò)氣固分離和冷卻后，得到納米硅粉；上述各步驟均在氮?dú)猸h(huán)境下進(jìn)行。其不足之處在于，氮?dú)猸h(huán)境下進(jìn)行硅烷的電離，電離出的硅離子、氫離子和氮離子還會(huì)經(jīng)過(guò)等離子弧區(qū)域，其溫度高達(dá)6000℃-18000℃，在此特高溫環(huán)境下，硅離子和氫離子又處于離子狀態(tài)，硅離子會(huì)和氮離子進(jìn)行反應(yīng)，生成氮化硅。即便是納米硅或亞微米硅，在1250℃以上也會(huì)和氮離子發(fā)生氮化反應(yīng)生產(chǎn)氮化硅，進(jìn)而無(wú)法實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的。

中國(guó)發(fā)明專利CN101559946B公開了一種利用等離子體制備硅納米顆粒的方法及裝置，包括將含有含硅氣源和惰性氣體的混合氣體輸入到等離子體腔中，在真空條件下，激發(fā)等離子體腔中的氣體，使含硅氣源轉(zhuǎn)化形成硅納米顆粒，硅納米顆粒被氣流攜帶出等離子體腔后通過(guò)收集器收集。本發(fā)明方法可以在硅納米顆粒的制備過(guò)程中使用高功率的等離子體，同時(shí)盡量避免了硅納米顆粒在等離子體腔體內(nèi)壁上的沉積和改善了在氣相中對(duì)硅納米顆粒的收集。該專利的硅納米顆粒在等離子體腔中完成，無(wú)法形成多樣化的硅納米形態(tài)。而且，采用交流電源感應(yīng)等離子體槍(微波、射頻)，其產(chǎn)能無(wú)法保證，實(shí)施例中的產(chǎn)量?jī)H為100g-160g/h，無(wú)法實(shí)現(xiàn)宏量制備。

斯坦福大學(xué)于《自然—納米技術(shù)》(Nature Nanotechnology)， doi:10.1038/nnano.2007.411，Candace K.Chan，Yi Cui中公開了一種硅納米線，理論上可以使電池的儲(chǔ)電量提高10倍。硅納米線材料與硅納米顆粒材料在同等中值徑d50尺寸情況下，硅納米線其比表面積小，采用同等的無(wú)定型碳數(shù)量包覆材料的狀況下其碳包覆層厚度大大增厚，對(duì)于硅納米線材料應(yīng)用在鋰離子電池充電嵌鋰過(guò)程因晶體硅高的膨脹力(350％)造成電極極片粉碎形成有效的束縛，同時(shí)膨脹力隨線方向發(fā)力也至關(guān)重要，實(shí)現(xiàn)真實(shí)意義工業(yè)化的高品質(zhì)低成本的硅碳負(fù)極材料。