【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于利用化学气相渗透(cvi)将硅沉积到多孔颗粒材料的孔隙中来制备适用于金属离子电池的电活性材料的方法和系统。
技术介绍
1、本专利技术人先前报告了一类具有复合结构的电活性材料的开发，在所述复合结构中，纳米尺寸的电活性材料(比如硅)沉积到高度多孔颗粒材料(例如多孔碳材料)的孔隙中。
2、例如，wo 2020/128495公开了这样的包含多个复合粒子的颗粒材料。
3、已经利用cvi制备了wo 2020/128495中所述的材料。使多孔粒子与甲硅烷气体在400至500℃的温度接触。使用低浓度的甲硅烷，比如1.25体积％的甲硅烷。这样的现有cvi方法足以用于实验室规模的生产，但是不适合于大规模制造。
4、例如，这样的低浓度的含硅前体的使用意味着复合粒子的生产时间对于大规模来说是不可接受的。
5、此外，已经发现，利用cvi方法将硅沉积到多孔粒子的孔隙中的现有方法导致反应区的不受控制的染污(soiling)。特别地，在反应区的内表面上可能形成富含硅的复合材料的相对较大的薄片。
6、这样的成薄片(flaking)行为不利于生产，因为即使在后期生产过程比如筛分之后，染污的材料也可能破碎并混入颗粒材料中。这降低了颗粒材料的品质，并且可能造成电极制剂内的不期望的影响，比如不均匀的膨胀和接触的损失。
7、还已经确定，反应区的内表面上的硅薄片的形成与具有高含量粗硅的复合粒子的形成相关，如本文所定义的。本专利技术人认为粗硅是不均匀硅沉积的一种迹象。因此，反应区的染污被
8、在大规模生产中，染污可能使生产完全停止。停止生产以除去染污的材料造成了不可接受的延误和麻烦的清洁程序。
9、一些cvi方法比如固定床、传送床和振动流化床方法依赖于反应器表面积相对于多孔粒子质量的高比率以及低的床厚度来实现向多孔粒子的充分传热。除了染污的风险以外，限制了这样的方法的规模化。要提高依赖于反应器表面积与多孔粒子质量之间的相对较高比率的技术的生产量，需要反应器表面积的按比例增大。
10、因此需要解决上述问题。
技术实现思路
1、在第一方面，本专利技术提供了一种用于制备复合粒子的方法，所述方法包括以下步骤：
2、(a)在反应区中提供多个多孔粒子，所述反应区具有内表面；以及
3、(b)使所述反应区中的所述多个粒子与包含至少25体积％的含硅前体的气体在有效引起硅在所述多孔粒子的孔隙中沉积的温度接触；
4、其中在步骤(b)期间保持δt≤+90℃，其中δt表示所述反应区的内表面的最高温度与所述多个多孔粒子内的同期最低温度(simultaneous minimum temperature)之间的温差，其中δt的正值表明所述反应区的内表面的最高温度高于所述多个粒子内的最低温度。
5、在另一个方面，本专利技术提供了一种用于制备复合粒子的系统，所述系统包括：
6、(a)反应区，所述反应区被配置为容纳多个多孔粒子，所述反应区具有：
7、(i)至少一个热源，被配置为加热所述多个多孔粒子；
8、(ii)至少一个气体入口，用于接收包含至少25体积％的含硅前体的气体；
9、(iii)至少一个气体出口，用于从所述反应区中取出排放气体；
10、(b)至少一个被配置为获取所述多个多孔粒子内的温度数据的传感器；
11、(c)至少一个被配置为获取所述反应区的内表面的温度数据的传感器；以及
12、(d)处理器；
13、其中所述至少一个被配置为获取所述多个多孔粒子内的温度数据的传感器和所述至少一个被配置为获取所述反应区的内表面的温度数据的传感器被配置为将相应的温度数据发送到所述处理器，并且所述处理器被配置为控制所述热源，以使得保持δt≤+90℃，其中δt表示所述反应区的内表面的最高温度与所述多个多孔粒子内的同期最低温度之间的温差，其中δt的正值表明所述反应区的内表面的最高温度高于所述多个粒子内的最低温度。所述系统可以用于执行本专利技术的方法。
14、本专利技术的方法和系统已经被开发用于实现在避免硅到反应器表面上的不良沉积的同时，实现对产物品质的同时控制。
15、在本专利技术的方法中的硅的沉积由于含硅前体在表面处的热分解而发生。沉积到多孔粒子的孔隙表面上和沉积到反应区的内表面上的硅的相对量取决于：
16、(i)多孔粒子与反应区的内表面的相对表面积；以及
17、(ii)多孔粒子与反应区的内表面的相对温度；以及
18、多孔粒子是非常高表面积的材料，因此在相同的温度下，预期硅沉积会几乎完全发生在多孔粒子的内表面上。然而，多孔粒子、特别是多孔碳粒子具有非常差的导热性，因此在作为用于反应的热源的反应器表面与多孔粒子之间可能形成大的温差。据认为该温差解释了在反应区的内表面上的硅薄片的形成。该温差的另一个后果是其与反应区中的多孔粒子质量(mass)内的大温度梯度相关。与内部反应器表面相邻的粒子变得过热，并且具有硅的沉积不受控的问题(导致本文所述的过量粗硅形成)，而更远离内部反应器表面的粒子明显更冷，从而使得硅沉积极少或甚至不存在。
19、当反应器的多孔粒子的负载量增大时，上述问题仍进一步加剧，这是因为粒子床深度增大，由此增加了粒子与作为热源的内部反应器表面之间的最大距离。当进料至反应器的气体中的硅前体的浓度增大时，所述问题也加剧。这两种因素对于确保反应区中的高生产量来说都是必需的，但是二者都提高了反应器染污和产物不均匀性的可能性。
20、本专利技术的方法通过控制多孔粒子与反应区的内表面之间的温差使得其不超过+90℃而解决了这些问题。已经发现，这是有效的上限，在该上限时，多孔粒子的相对较高的表面积是决定硅沉积的位置的主要因素。随着反应器负载量和/或多孔粒子的表面积开始增大，平衡仍进一步倾向于有利于到多孔粒子的孔隙表面上的沉积。
21、根据本专利技术，在步骤(b)期间保持≤+90℃的δt，使得反应区的内表面的温度从不超过多个多孔粒子内的最低温度多于90℃。这也可以被表示为在包含含硅前体的气体与多个多孔粒子的接触期间保持以下条件的要求：
22、tis≤[tp+90℃]
23、其中tis为反应区的内表面的最高温度，tp为多个粒子内的同期最低温度。
24、因此，δt等同于tis-tp。
25、不受理论束缚，当以此方式控制反应条件时，认为即使在反应区的内表面的最高温度超过多个粒子内的最低温度达到最高90℃时，与反应区的内表面相比多孔粒子的相对较高的表面积也导致在多孔粒子的孔隙内的优先沉积。
26、因此，观察到保持δt≤+90℃使得反应区中的薄片形成减少。
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1.一种用于制备复合粒子的方法，所述方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤(b)期间保持ΔT≤+85℃，或ΔT≤+80℃，或ΔT≤+75℃，或ΔT≤+70℃，或ΔT≤+65℃，或ΔT≤+60℃，或ΔT≤+55℃，或ΔT≤+50℃，或ΔT≤+45℃，或ΔT≤+40℃，或ΔT≤+35℃，或ΔT≤+30℃，或ΔT≤+25℃，或ΔT≤+20℃，或ΔT≤+15℃，或ΔT≤+10℃，或ΔT≤+5℃或ΔT≤0℃，或ΔT≤-5℃，或ΔT≤-10℃。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中在步骤(b)期间保持的所述ΔT在+90℃至-110℃、或+85℃至-110℃、或+80℃至-110℃、或+75℃至-110℃、或+70℃至-110℃、或+65℃至-110℃、或+60℃至-110℃、或+55℃至-110℃、或+50℃至-110℃、或+45℃至-110℃、或+40℃至-110℃、或+35℃至-110℃、或+30℃至-110℃、或+25℃至-110℃、或+20℃至-110℃、或+15℃至-110℃、或+10℃至-110℃、或+5℃至-110℃、或0℃至-1
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述接触期间，所述多个多孔粒子内的最低温度在340至400℃、或340至395℃、或340至390℃、或345至400℃、或345至395℃、或345至390℃、或350至400℃、或350至395℃、或350至390℃、或350至385℃、或350至380℃、或355至400℃、或355至395℃、或355至390℃、或355至385℃、或355至380℃、或360至400℃、或360至395℃、或360至390℃、或360至385℃、或360至380℃、或365至400℃、或365至395℃、或365至390℃、或365至385℃、或365至380℃、或370至400℃、或370至395℃、或370至390℃、或370至385℃、或370至380℃的范围内。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中步骤(a)包括：在所述反应区中提供所述多个多孔粒子之前预热所述多个多孔粒子。
6.根据权利要求5所述的方法，其中将所述多个多孔粒子预热到300至480℃、或320至450℃、或330至400℃、或340至390℃、或345至390℃、或350至400℃、或350至390℃、或350至385℃、或350至380℃、或355至390℃、或355至385℃、或355至380℃、或360至390℃、或360至385℃、或360至380℃的温度。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述反应区包括热源，并且步骤(a)包括操作所述热源以将所述多个多孔粒子加热到340至400℃、或340至395℃、或340至390℃、或345至400℃、或345至395℃、或345至390℃、或350至400℃、或350至395℃、或350至390℃、或350至385℃、或350至380℃、或355至400℃、或355至395℃、或355至390℃、或355至385℃、或355至380℃、或360至400℃、或360至395℃、或360至390℃、或360至385℃、或360至380℃、或365至400℃、或365至395℃、或365至390℃、或365至385℃、或365至380℃、或370至400℃、或370至395℃、或370至390℃、或370至385℃、或370至380℃的温度。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述热源是对流或传导热源。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中步骤(b)包括在所述接触之前将所述气体预热到100至350℃、或110至340℃、或120至330℃、或130至320℃、或140至310℃、或150至300℃的温度。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述接触期间，所述反应区的内表面的最高温度为150至480℃，或150至460℃，或150至440℃，或150至420℃，或150至400℃，或150至390℃，或200至390℃，或250至390...
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.一种用于制备复合粒子的方法，所述方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤(b)期间保持δt≤+85℃，或δt≤+80℃，或δt≤+75℃，或δt≤+70℃，或δt≤+65℃，或δt≤+60℃，或δt≤+55℃，或δt≤+50℃，或δt≤+45℃，或δt≤+40℃，或δt≤+35℃，或δt≤+30℃，或δt≤+25℃，或δt≤+20℃，或δt≤+15℃，或δt≤+10℃，或δt≤+5℃或δt≤0℃，或δt≤-5℃，或δt≤-10℃。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中在步骤(b)期间保持的所述δt在+90℃至-110℃、或+85℃至-110℃、或+80℃至-110℃、或+75℃至-110℃、或+70℃至-110℃、或+65℃至-110℃、或+60℃至-110℃、或+55℃至-110℃、或+50℃至-110℃、或+45℃至-110℃、或+40℃至-110℃、或+35℃至-110℃、或+30℃至-110℃、或+25℃至-110℃、或+20℃至-110℃、或+15℃至-110℃、或+10℃至-110℃、或+5℃至-110℃、或0℃至-110℃、或-5℃至-110℃、或-5℃至-105℃、或-5℃至-100℃、或-5℃至-95℃、或-5℃至-90℃、或-5℃至-85℃、或-5℃至-80℃、或-5℃至-75℃、或-5℃至-70℃、或-5℃至-65℃、或-5℃至-60℃、或-5℃至-55℃、或-5℃至-50℃、或-5℃至-45℃、或-5℃至-40℃、或-5℃至-35℃、或-5℃至-30℃、或-5℃至-25℃、或-5℃至-20℃、或-5℃至-15℃、或-5℃至-10℃的范围内。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述接触期间，所述多个多孔粒子内的最低温度在340至400℃、或340至395℃、或340至390℃、或345至400℃、或345至395℃、或345至390℃、或350至400℃、或350至395℃、或350至390℃、或350至385℃、或350至380℃、或355至400℃、或355至395℃、或355至390℃、或355至385℃、或355至380℃、或360至400℃、或360至395℃、或360至390℃、或360至385℃、或360至380℃、或365至400℃、或365至395℃、或365至390℃、或365至385℃、或365至380℃、或370至400℃、或370至395℃、或370至390℃、或370至385℃、或370至380℃的范围内。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中步骤(a)包括：在所述反应区中提供所述多个多孔粒子之前预热所述多个多孔粒子。
6.根据权利要求5所述的方法，其中将所述多个多孔粒子预热到300至480℃、或320至450℃、或330至400℃、或340至390℃、或345至390℃、或350至400℃、或350至390℃、或350至385℃、或350至380℃、或355至390℃、或355至385℃、或355至380℃、或360至390℃、或360至385℃、或360至380℃的温度。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述反应区包括热源，并且步骤(a)包括操作所述热源以将所述多个多孔粒子加热到340至400℃、或340至395℃、或340至390℃、或345至400℃、或345至395℃、或345至390℃、或350至400℃、或350至395℃、或350至390℃、或350至385℃、或350至380℃、或355至400℃、或355至395℃、或355至390℃、或355至385℃、或355至380℃、或360至400℃、或360至395℃、或360至390℃、或360至385℃、或360至380℃、或365至400℃、或365至395℃、或365至390℃、或365至385℃、或365至380℃、或370至400℃、或370至395℃、或370至390℃、或370至385℃、或370至380℃的温度。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述热源是对流或传导热源。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中步骤(b)包括在所述接触之前将所述气体预热到100至350℃、或110至340℃、或120至330℃、或130至320℃、或140至310℃、或150至300℃的温度。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述接触期间，所述反应区的内表面的最高温度为150至480℃，或150至460℃，或150至440℃，或150至420℃，或150至400℃，或150至390℃，或200至390℃，或250至390℃，或300至390℃，或340至375℃，或340至370℃，或345至370℃，或345至365℃，或350至400℃，或350至390℃，或350至380℃，或350至370℃，或350至365℃。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中步骤(a)包括在所述反应区中提供一批次的所述多个多孔粒子。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法还包括：
13.根据权利要求12所述的方法，其中在步骤(b)和/或(d)中的所述接触期间，所述反应区的内表面的最高温度为150至480℃，或150至460℃，或150至440℃，或150至420℃，或150至400℃，或150至390℃，或200至390℃，或250至390℃，或300至390℃，或340至375℃，或340至370℃，或345至370℃，或345至365℃，或350至400℃，或350至390℃，或350至380℃，或350至370℃，或350至365℃。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中在步骤(b)、(c)和(d)期间，所述多个多孔粒子内的最低温度保持为在340至400℃、或340至395℃、或340至390℃、或345至400℃、或345至395℃、或345至390℃、或350至400℃、或350至395℃、或350至390℃、或350至385℃、或350至380℃、或355至400℃、或355至395℃、或355至390℃、或355至385℃、或355至380℃、或360至400℃、或360至395℃、或360至390℃、或360至385℃、或360至380℃、或365至400℃、或365至395℃、或365至390℃、或365至385℃、或365至380℃、或370至400℃、或370至395℃、或370至390℃、或370至385℃、或370至380℃范围内的温度。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其中步骤(d)包括在所述接触之前将所述气体预热到100至35...
【专利技术属性】
技术研发人员：何塞·梅德拉诺卡塔兰，马克斯·安德森，
申请(专利权)人：奈克松有限公司，
类型：发明
国别省市：
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