一种硅氧负极材料的一体化制备系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种硅氧负极材料的一体化制备系统及方法，系统包括依次连通的一氧化硅生成装置、气化室、反应沉积室和分级出料装置，一氧化硅生成装置连接惰性引流稀释气源，气化室连接掺杂物供应装置和锂源供应装置，反应沉积室的头部连接碳源供气装置，尾部连接真空泵；制备方法包括制备气相一氧化硅、气相掺杂物、气相锂源，利用惰性气体将气相一氧化硅、气相掺杂物、气相锂源和气相碳源以一定顺序送至反应沉积室，并按一定顺序完成一氧化硅的沉积、掺杂、补锂和碳包覆，分级整形处理后得硅氧负极材料。本发明专利技术集一氧化硅制备、气相掺杂、碳包覆和补锂等工艺于一体，降低了设备投资和能耗，保证了掺杂、补锂和碳包覆的均匀性和一致性。性。性。

【技术实现步骤摘要】
一种硅氧负极材料的一体化制备系统及方法


[0001]本专利技术属于锂离子电池
，具体涉及一种硅氧负极材料的一体化制备系统及方法。

技术介绍

[0002]锂离子电池已经广泛应用在智能手机、电动汽车和电力储能等领域。随着智能化耗电量增加、电动汽车对高续航里程的迫切需求，迫使锂离子电池需要更高的能量密度。锂离子电池能量密度的提升主要依赖于正极材料和负极材料的比容量提升和正负极压差的增加。目前负极材料以碳系为主，其中包括天然石墨与人造石墨，但其较低的理论比容量(372mAh/g)已经无法满足更高能量密度(350
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450Wh/kg)的锂离子电池芯的需求。在众多可替代材料中，硅材料因具有较高理论比容量(4200mAh/g)，成为替代石墨负极最具潜力的一种材料。但是，纯硅负极面临的体积膨胀大(超过300％)、SEI膜(固态电解质界面膜)不稳定、电导率低等问题，限制其实际应用；目前主要通过纳米化、与碳复合等手段可以从一定程度上缓解上述问题，但是还未达到实用的条件。
[0003]一氧化硅复合材料，虽然其理论比容量(2000mAh/g)低于纯硅负极，但是也是石墨负极的5倍以上，设计上完全可以满足锂离子电池单体450Wh/kg的能量密度的要求。同时，由于存在氧元素作为脱嵌锂过程中的体积缓冲区域，相比纯硅负极材料，展现出更小的脱嵌锂体积膨胀效应(小于150％)、优异的循环稳定性，成为目前最有可能大规模应用的高容量负极材料。
[0004]但是，一氧化硅的电子导电性较差，且依然存在比石墨负极(小于20％)更大的体积膨胀效应。这种较大的脱嵌锂膨胀，会导致负极形成的SEI膜破裂再生，氢氟酸在膜破裂后会腐蚀硅基负极，造成可逆容量损失增加，降低锂离子电池的首次库伦效率和循环稳定性。同时，由于一氧化硅中氧元素的存在，在首次充电嵌锂过程中，要消耗一部分的活性锂，用以形成氧化锂，所以理论首次库伦效率只有77％。所以，如何改善一氧化硅的电子导电性、如何弥补首次库伦效率、如何缓解体积效应是一氧化硅大规模使用的关键环节。
[0005]为了解决上述导电性问题，专利CN108172775A公开了一种锂离子电池用磷掺杂硅碳负极材料及其制备方法，该方法通过磷掺杂改善纳米硅的电子导电性，碳包覆改善硅的体积效应，但是由于碳包覆层强度不够，不够致密，循环过程中容易破裂，循环寿命较短。为了改善首次库伦效率不足问题，专利CN105489846A公开了一种极片补锂方法及系统，具体是将锂带以及待补锂极片复合形成补锂复合极片，改善负极材料首次库伦效率不足。但是，极片补锂对设备依赖度很高，锂消耗后，留下空隙影响电池界面；同时，补锂只在极片表面，补锂均匀性欠佳，存在锂不足或者富锂问题。
[0006]同时，现有技术工艺步骤较多，碳包覆、补锂等每个环节都需要升温再降温的过程，设备投资大，能耗较高，降温热量得不到充分利用，耗时较长；同时，分步进行制备，对材料的均匀性和一致性不利，不管如何优化条件，后段工艺对前端工艺的结果都会造成影响，从而影响碳包覆、补锂等的综合性能和一致性。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种硅氧负极材料的一体化制备系统及方法，集一氧化硅制备、气相掺杂、CVD碳包覆和CVD补锂等工艺于一体，降低了设备投资和能耗，保证了掺杂、补锂和碳包覆的均匀性和一致性。
[0008]本专利技术提供了如下的技术方案：
[0009]第一方面，提供一种硅氧负极材料的一体化制备系统，包括依次连通的一氧化硅生成装置、气化室、反应沉积室和分级出料装置；
[0010]所述一氧化硅生成装置连接有惰性引流稀释气源；
[0011]所述气化室连接有掺杂物供应装置和锂源供应装置；
[0012]所述反应沉积室的头部连接有碳源供气装置，尾部连接有真空泵。
[0013]进一步的，所述真空泵连接有尾气回收装置；所述反应沉积室内设有与顶部连接的上流体挡板以及与底部连接的下流体挡板，所述上流体挡板和下流体挡板相间分布且两者之间形成流体通道。
[0014]第二方面，提供一种采用第一方面所述系统制备硅氧负极材料的方法，包括以下步骤：
[0015]在一氧化硅生成装置中制备气相一氧化硅，
[0016]掺杂物供应装置向气化室中定量提供掺杂物，并在气化室中生成气相掺杂物；
[0017]锂源供应装置向气化室中定量提供锂源，并在气化室中生成气相锂源；
[0018]碳源供气装置向反应沉积室的头部提供气相碳源；
[0019]在真空泵抽真空的条件下，利用惰性引流稀释气源提供的惰性气体将气相一氧化硅和气相掺杂物先后引流推送至反应沉积室，按照先后顺序完成一氧化硅的沉积和掺杂，然后将气相锂源和气相碳源以任意顺序或同时推送至反应沉积室，完成一氧化硅的补锂和碳包覆，获得固态产物；
[0020]在分级出料装置中对固态产物进行分级整形处理，即得硅氧负极材料。
[0021]进一步的，惰性气体为高纯氩气、氦气、氮气、氩氢混合气和氮氢混合气中的一种。
[0022]进一步的，制备气相一氧化硅的原料为硅粉和二氧化硅粉末，所述硅粉和二氧化硅粉末的摩尔比为3～0.5：1。
[0023]进一步的，所述掺杂物为有机磷、无机磷、有机硼和无机硼中的一种或几种，优选为三氯氧磷、五氯化磷、三溴氧磷、磷酸三甲酯、磷酸三乙酯、磷酸三丙酯、硼酸、氧化硼、三溴化硼、硼酸三甲酯、硼酸三乙酯、硼酸三丙酯等中的一种或者几种；
[0024]进一步的，所述锂源为锂单质、锂的氧化物、锂的硫化物、锂的卤化物、锂盐或者锂的其他化合物中的一种。
[0025]进一步的，所述气相碳源为甲烷、乙炔、乙醇、甲醇、乙醛和气态烷烃中的一种或几种。
[0026]进一步的，制备气相一氧化硅前，将一氧化硅的原料、掺杂物和锂源分别装填至一氧化硅生成装置、掺杂物供应装置和锂源供应装置中；启动真空泵至一氧化硅生成装置内部真空度为10～1000Pa，调节惰性气体流量为0.1～10L；预设气化室温度为1200～1500℃，预设反应沉积室温度为600～1100℃，然后调节一氧化硅生成装置温度至1300～1800℃，制备获得气相一氧化硅。
[0027]进一步的，所述反应沉积室预设两个以上的温区，相邻两个温区的温差为100～300℃。
[0028]进一步的，一氧化硅生成装置、气化室、反应沉积室的加热方式为电阻丝加热、中高频感应加热、石墨发热体加热、等离子体辐射加热、微波加热中的一种或多种。
[0029]进一步的，一氧化硅掺杂的反应时间为1～1000min，补锂的反应时间为1～1000min，碳包覆的反应时间为1～1000min。
[0030]进一步的，所述反应沉积室在反应完成后冷却至25～100℃。
[0031]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0032](1)本专利技术提供的硅氧负极材料的一体化制备系统，将一氧化硅制备、气相掺杂、CVD碳包覆和CVD补锂等工艺集成于一体，操作简单本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅氧负极材料的一体化制备系统，其特征在于，包括依次连通的一氧化硅生成装置、气化室、反应沉积室和分级出料装置；所述一氧化硅生成装置连接有惰性引流稀释气源；所述气化室连接有掺杂物供应装置和锂源供应装置；所述反应沉积室的头部连接有碳源供气装置，尾部连接有真空泵。2.根据权利要求1所述的硅氧负极材料的一体化制备系统，其特征在于，所述真空泵连接有尾气回收装置；所述反应沉积室内设有与顶部连接的上流体挡板以及与底部连接的下流体挡板，所述上流体挡板和下流体挡板相间分布且两者之间形成流体通道。3.一种采用权利要求1~2任一项所述系统制备硅氧负极材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：在一氧化硅生成装置中制备气相一氧化硅，掺杂物供应装置向气化室中定量提供掺杂物，并在气化室中生成气相掺杂物；锂源供应装置向气化室中定量提供锂源，并在气化室中生成气相锂源；碳源供气装置向反应沉积室的头部提供气相碳源；在真空泵抽真空的条件下，利用惰性引流稀释气源提供的惰性气体将气相一氧化硅和气相掺杂物先后引流推送至反应沉积室，按照先后顺序完成一氧化硅的沉积和掺杂，然后将气相锂源和气相碳源以任意顺序或同时推送至反应沉积室，完成一氧化硅的补锂和碳包覆，获得固态产物；在分级出料装置中对固态产物进行分级整形处理，即得硅氧负极材料。4.根据权利要求3所述的硅氧负极材料的制备方法，其特征在于，制备气相一氧化硅的原料为硅粉和二氧化硅粉末，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁正秋，
申请(专利权)人：勤正科技苏州有限公司，
类型：发明
国别省市：