利用两级反应器法生产锂电池硅碳负极材料的制备方法及装置与流程

本发明涉及纳米材料制备，具体为一种利用两级反应器法生产锂电池硅碳负极材料的制备方法及装置。

背景技术：

1、近年来，纳米颗粒的制备及其性能研究引起了人们的广泛关注。纳米颗粒具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等特点，表现出不同于传统材料的光、电、热、磁、力等性能，因此在化工、材料、电子、机械、环保和生物医学工程等诸多领域具有重要应用。

2、目前制备纳米颗粒的方法主要有溶胶-凝胶法、电化学、化学沉淀法、热解法、离子注入法、等离子体法、自组装、模板法等。

3、溶胶-凝胶法可以得到大量的纳米粉体，成本也较低，但非常容易团聚，影响实际应用效果；

4、化学沉淀法制备的纳米颗粒，其纯度、形貌及大小很难控制。模板法能够得到大面积的纳米颗粒阵列，但工艺相对烦琐，尤其去除模板较为困难。离子注入法、热解法、等离子体法、电化学等方法需要相对复杂的实验设备和工艺规程或较高的温度，提高了纳米颗粒的制备成本，同时由于各自的局限性，影响到纳米颗粒的实际应用。因此，必须研究一种简单可控的方法，得到纯度高、稳定性好、形貌大小分布可控的纳米颗粒，并降低制备成本，避免纳米颗粒的团聚。

5、硅碳负极材料主要用以替代传统锂离子电池的石墨负极，使电池的能量密度能够突破石墨负极的瓶颈，性能可以大幅提升。硅基负极材料因其较高的理论比容量(高温4200ma·h/g，室温3580ma·h/g)、低的脱锂电位(＜0.5v)、环境友好、储量丰富、成本较低等优势，而被认为是极具潜力的下一代高能量密度锂离子电池负极材料。硅基负极材料需要解决硅颗粒粒径小、分散性好的性能要求，可解决在规模使用过程中存在的两个重要的关键问题：

6、①硅材料在脱嵌锂过程中反复膨胀收缩，致使负极材料粉化、脱落，并最终导致负极材料失去电接触而使电池彻底失效；

7、②硅材料表面sei膜的持续生长，会一直不可逆地消耗电池中有限的电解液和来自正极的锂，最终导致电池容量的迅速衰减。

8、为解决以上两个问题，第一，需要合成纳米级别的硅颗粒，如尺寸小于150nm，可以有效的抑制材料的膨胀问题，在反复充放电过程中，减少粉碎化的问题，从而大大延长电池的循环稳定性。虽然利用高能球磨的方法，可得到尺寸在100nm左右的纳米材料，但能耗大，颗粒有严重的团聚现象，为后续处理带来很多问题，而且无法得到尺寸在50nm以内的颗粒；

9、第二，合成的硅纳米材料，需要在表面形成有效的碳包覆，以便保护硅颗粒不与电解液直接接触反应，同时提供导电性能更好的碳材料。

10、本发明提供了利用一种两级反应器法生产锂电池硅碳负极材料的制备方法，可制造出数纳米到百纳米级别的硅颗粒，并可以实现在线的原位碳包覆，在硅颗粒离开反应区域前，与引入的碳前驱体发生表面反应，生成碳保护层，从而有效保护硅表面，从而提高硅负极材料充放电时的首次库仑效率。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种利用两级反应器法生产锂电池硅碳负极材料的制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

3、一种利用两级反应器法生产锂电池硅碳负极材料的制备方法，包括以下步骤：

4、s1、将纳米颗粒的气态先驱物通入第一级反应区域，并控制内部温度为800°-1000°，前驱体在cvd反应条件下快速裂解成纳米级小颗粒；

5、s2、第一级反应区域生成的颗粒即随进入第二级反应腔，同时控制第二级反应腔内部温度为800°-1000°；

6、s3、第二级反应腔内通过碳前驱体喷嘴向第二级反应腔内部喷入含碳前驱体，使前驱体和第一级粒子混合后，被第二cvd反应炉加热裂解成高能粒子，在硅颗粒表面沉积成为膜状结构，得到表面碳包覆的活性纳米颗粒；

7、s4、活性纳米颗粒在收集器中进行临时收集；

8、s5、最后通过蝶阀将收集器中的活性纳米颗粒进行排出最终存储，以备使用。

9、优选的，所述的气态先驱物为包含所需制备纳米颗粒的气态或液态有机化合物，该有机化合物在cvd反应条件下可以裂解。

10、优选的，第一级及第二级反应器为rtp反应炉、等离子体反应器、微波及中频反应装置之一或组合使用。

11、优选的，在通入气态先驱物的同时，还应通入保护气、敏化气。

12、优选的，保护气体为n2、he、ar或h2之一或混合物，将反应气体局限在反应腔的中心位置附近，防止其在反应器的其它部分角落积累。

13、优选的，所述反应腔内的压强小于700torr。

14、一种实现利用两级反应器法生产锂电池硅碳负极材料制备方法的装置，包括反应腔，所述反应腔依照反应循序安装有第一反应设备和第二反应设备，所述反应腔通道的侧面安装有包覆喷嘴，所述包覆喷嘴延伸至第二反应设备的内部；

15、所述反应腔通道的尾部连通有收集室，所述收集室的内部安装有带有倾斜角度冷凝装置，所述冷凝装置的下方安装有颗粒收集装置，所述收集室的尾部设置有成品收集器皿收集成品，所述收集室和成品收集器皿之间安装有蝶阀。

16、优选的，所述第一反应设备和第二反应设备为rtp反应炉、等离子体反应器、微波及中频反应装置之一或组合使用。

17、优选的，所述包覆喷嘴包括喷嘴管体，所述喷嘴管体延伸至第二反应设备位置的外表面开设有若干细小的扩散孔。

18、优选的，所述冷凝装置包括内部注有冷凝水的冷凝板，所述冷凝板上设置有被动力带动往复运动的清理刮板，所述冷凝板为倒v字形将收集室顶部通道进行分割，所述扩散孔的底部与喷嘴管体的外表面贴合。

19、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

20、第一、本发明通过设置第一反应设备和第二反应设备，在进行纳米材料制备的时候，将纳米颗粒的气态先驱物通入第一级反应区域，前驱体cvd反应条件下快速裂解成纳米级小颗粒，并在第二cvd反应炉加热裂解成高能粒子，使制备的纳米颗粒的直径在50-800nm范围，实现纳米材料小于100nm的目的。

21、第二、本发明两级纳米材料合成装置，在材料进入到第二反应设备的过程中，通过包覆喷嘴向第二反应设备的内部喷入包覆物质，可以实现在线的原位碳包覆，在硅颗粒离开反应区域前，与引入的碳前驱体发生表面反应，生成碳保护层，从而有效保护硅表面，从而提高硅负极材料充放电时的首次库仑效率；

22、第二、由于制备过程中真空度要求较低，大大降低了生产成本，且设备简单，工艺稳定性好，制备的纳米颗粒纯度较高、稳定性好、形貌粒径均匀，产品质量可靠性高，同时可以得到较高的纳米颗粒产率，两级前驱体注入装置可以在制得纳米级颗粒后，原位进行表面碳包覆，达到了降低制备成本的效果。

技术特征：

1.一种利用两级反应器法生产锂电池硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种利用两级反应器法生产锂电池硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：所述的气态先驱物为包含所需制备纳米颗粒的气态或液态有机化合物，该有机化合物在cvd反应条件下可以裂解。

3.根据权利要求1所述的一种利用两级反应器法生产锂电池硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：第一级及第二级反应器为rtp反应炉、等离子体反应器、微波及中频反应装置之一或组合使用。

4.根据权利要求1所述的一种利用两级反应器法生产锂电池硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：在通入气态先驱物的同时，还应通入保护气、敏化气。

5.根据权利要求4所述的一种利用两级反应器法生产锂电池硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：保护气体为n2、he、ar或h2之一或混合物，将反应气体局限在反应腔的中心位置附近，防止其在反应器的其它部分角落积累。

6.根据权利要求1所述的一种利用两级反应器法生产锂电池硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：所述反应腔内的压强小于700torr。

7.一种实现利用两级反应器法生产锂电池硅碳负极材料制备方法的装置，其特征在于：包括反应腔通道(1)，所述反应腔通道(1)上依照反应循序安装有第一反应设备(2)和第二反应设备(3)，所述反应腔通道(1)的侧面安装有包覆喷嘴(4)，所述包覆喷嘴(4)延伸至第二反应设备(3)的内部；

8.根据权利要求7所述的一种实现利用两级反应器法生产锂电池硅碳负极材料制备方法的装置，其特征在于：所述第一反应设备(2)和第二反应设备(3)为rtp反应炉、等离子体反应器、微波及中频反应装置之一或组合使用。

9.根据权利要求7所述的一种实现利用两级反应器法生产锂电池硅碳负极材料制备方法的装置，其特征在于：所述包覆喷嘴(4)包括喷嘴管体(401)，所述喷嘴管体(401)延伸至第二反应设备(3)位置的外表面开设有若干细小的扩散孔(402)。

10.根据权利要求9所述的一种实现利用两级反应器法生产锂电池硅碳负极材料制备方法的装置，其特征在于：所述冷凝装置(6)包括内部注有冷凝水的冷凝板(601)，所述冷凝板(601)上设置有被动力带动往复运动的清理刮板(602)，所述冷凝板(601)为倒v字形将收集室(5)顶部通道进行分割，所述扩散孔(402)的底部与喷嘴管体(401)的外表面贴合。

技术总结
本发明涉及纳米材料制备技术领域，且公开了一种利用两级反应器法生产锂电池硅碳负极材料的制备方法，包括以下步骤：S1、将纳米颗粒的气态先驱物通入第一级反应区域，并控制内部温度为800°‑1000°，前驱体CVD反应条件下快速裂解成纳米级小颗粒；S2、第一级反应区域生成的颗粒随即进入第二级反应腔，同时控制第二级反应腔内部温度为800°‑1000°，通过将纳米颗粒的气态先驱物通入第一级反应区域，前驱体在CVD反应条件下快速裂解成纳米级小颗粒，同时在第二CVD反应炉内通入含碳包覆用前驱体，使其加热裂解成高能粒子，包覆在纳米颗粒的表面，实现纳米材料的原位包覆。通过设置第一反应设备和第二反应设备工艺参数，实现粒径100nm以下的纳米材料原位包覆。

技术研发人员：李学耕,刘芳,邓文博,张顺
受保护的技术使用者：杭州星科源新材料科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24