一種大產量低成本生產氧化亞矽的汽化沉積設備的製作方法

2023-06-01 17:42:46 1

本發明涉及一氧化矽生產設備技術領域，具體涉及一種大產量低成本生產氧化亞矽的汽化沉積設備。

背景技術：

氧化亞矽，又名一氧化矽，是黑棕色到黃土色無定形粉末，白色立方晶體，結構為空間網狀，不會自燃，不溶於水，熔點大於1702攝氏度，沸點是1880攝氏度，密度是2.13g/立方釐米。sio是一種不穩定的矽氧化物，在空氣中加熱時會形成白色的二氧化矽粉末。sio其實並不是一個純化合物，它實際上是非晶態的納米si顆粒通過特殊的合成方法均勻地分散到無定形的sio2體相中形成的一種納米複合材料，sio的儲鋰容量來自於分散在sio2裡面的納米si顆粒。氧化亞矽的主要用途：用於光學玻璃和半導體材料；作為精細陶瓷合成原料，如氮化矽、碳化矽精細陶瓷粉末原料；蒸發塗覆在光學儀器的金屬反射鏡面上作保護膜；鋰離子電池的高容量負極材料。

近年來，由於智慧型手機、平板電腦的快速普及，尤其是在國家大力發展新能源電動汽車的政策鼓舞下，鋰離子電池的市場進入了快速發展通道，同時，隨著新能源汽車的飛速發展，必須要大幅度提高動力鋰離子電池的能量密度。工信部主導制定的《節能與新能源汽車產業發展規劃（2012-2020年）》中明確提出，2020年動力電池模塊比能量要達到300wh/kg。這意味著電芯能量密度至少要在350wh/kg以上，同時成本降低一半，達到1元/wh以下（指電芯）。因此，隨著新能源汽車在實際應用中對續航裡程要求的不斷提高，目前的材料體系明顯已無法實現這些目標，難以滿足現實需求，大規模研發並推廣應用新型高能量高性能材料迫在眉睫。

具體而言，提升動力鋰離子電池的能量密度的問題就變得異常迫切。負極材料是鋰離子電池的重要組成部分，它直接影響著電池的能量密度、循環壽命和安全性能等關鍵指標。目前氧化亞矽（sio）負極材料是業界認為最有希望產業化的新一代高容量矽基負極材料。sio負極材料的比容量為2400mah/g，實際可逆容量在1500mah/g以上，而石墨的理論比容量僅為372mah/g。與石墨負極材料相比，矽基負極材料的能量密度優勢明顯。石墨的理論能量密度是372mah/g，而矽負極的理論能量密度超其10倍，高達4200mah/g。矽碳複合材料能大大提升單體電芯的容量，有效緩解業內對電動汽車續航裡程的擔憂。

資料顯示，美國特斯拉tesla發布的model3電動汽車就採用了矽碳負極作為動力電池新材料，即日本松下新一代高容量18650電池，負極採用了少量sio（～10%）混合人造石墨，通過在人造石墨中加入10%的矽基材料，特斯拉讓電池容量達到了550mah/g以上，電池能量密度可達300wh/kg；日本gs湯淺公司已推出採用矽基負極材料的鋰電池，並成功應用在了三菱汽車上；此外，日本三井金屬也雄心勃勃地要將矽負極鋰電池推向消費電子和電動汽車兩大領域。

氧化亞矽的生產採用汽化沉積法，其反應式為:sio2+si=2sio。由於氧化亞矽的生產條件非常苛刻，目前國內sio粉體的工業化生產主要是在八十年代的實驗室基礎上延用半導體工業的高溫蒸發工藝，生產設備產量小，單體生產設備單產僅為5-10公斤，生產使用電加熱方式，耗能高，導致生產成本非常高。日本企業改進了sio生產方法，通過高能球磨納米/微米級的si粉和sio2顆粒然後熱處理得到sio粉體，再進行額外的碳包覆（有機碳源熱解或者cvd包覆）來提高材料的導電性。傳統的生產工藝設備決定了sio的成本要遠高於石墨類負極材料，比如日本某公司提供的樣品價格高達100$/kg，國內價格也在100rmb/kg，雖然量產以後成本會有所下降，但價格仍然是電池廠家所關注的主要問題，居高難下的使用成本嚴重阻礙了sio在矽基複合負極材料的大規模應用。

技術實現要素：

本發明的目的在於針對現有技術的缺陷和不足，提供一種結構簡單，設計合理、使用方便的大產量低成本生產氧化亞矽的汽化沉積設備，單體生產設備單產可以達到500-600公斤，並大幅度降低sio的生產成本，較目前國內外同類產品相比具有極強的市場競爭力，為sio在矽基複合負極材料的大規模應用奠定堅實的原始材料基礎。

為實現上述目的，本發明採用的技術方案是：它由爐窖、沉積反應器、蓄熱體、燒嘴、風管、鼓風機、換向閥和引風機構成；所述的爐窖由爐牆和爐頂構成；四周爐牆的頂部設有爐頂；爐牆上設有燒嘴和與之配套的蓄熱體；所述的燒嘴上連接有風管，風管與鼓風機和引風機連接，鼓風機和引風機之間的連接風管上設有換向閥；所述的沉積反應器插設在爐窖內；所述的沉積反應器由沉積反應器物料反應段和沉積反應器產品沉積段構成；沉積反應器物料反應段與沉積反應器產品沉積段焊接連接，且沉積反應器產品沉積段的外部套設有冷卻水套，物料設置在沉積反應器物料反應段內；所述的沉積反應器物料反應段設置在爐窖的內部，所述的沉積反應器產品沉積段設置在爐窖的外部。

進一步地，所述的爐牆上設有數個開孔；所述的沉積反應器橫插在開孔內，其中沉積反應器物料反應段設置在爐牆的內側，且架設在爐底反應器支撐磚上，該爐底反應器支撐磚設置在四周爐牆所圍成空間的底部，沉積反應器產品沉積段露設在爐牆的外部。

進一步地，所述的沉積反應器呈單面單排、單面雙排、雙面單排或者雙面雙排的形式橫插在爐牆上。

進一步地，所述的爐頂上設有數個開孔；所述的沉積反應器豎插在開孔內，其中沉積反應器物料反應段設置在爐頂的內側，沉積反應器產品沉積段露設在爐頂的外部。

進一步地，所述的沉積反應器物料反應段的內部設有耐高溫提兜；物料設置於耐高溫提兜內。

進一步地，所述的耐高溫提兜的筒壁開設有孔，該孔為圓孔、方孔或者不規則孔。

進一步地，所述的沉積反應器物料反應段的內部設有耐高溫中心管，物料設置在耐高溫中心管與沉積反應器物料反應段之間的夾層內；所述的沉積反應器物料反應段的下端露設在爐底外部，且其外部設有下冷卻水套，最下端設有下出口法蘭。

進一步地，所述的耐高溫中心管的筒壁開設有孔，該孔為圓孔、方孔或者不規則孔。

採用上述結構後，本發明有益效果為：本發明所述的一種大產量低成本生產氧化亞矽的汽化沉積設備，單體生產設備單產可以達到500-600公斤，並大幅度降低sio的生產成本，較目前國內外同類產品相比具有極強的市場競爭力，為sio在矽基複合負極材料的大規模應用奠定堅實的原始材料基礎，本發明具有結構簡單，設置合理，製作成本低等優點。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是具體實施方式一的結構示意圖。

圖2是具體實施方式一的側視圖。

圖3是具體實施方式二的結構示意圖。

圖4是具體實施方式二的側視圖。

圖5是具體實施方式三的結構示意圖。

圖6是具體實施方式三的側視圖。

圖7是具體實施方式四的結構示意圖。

圖8是具體實施方式四的側視圖。

圖9是具體實施方式五的結構示意圖。

圖10是具體實施方式五的側視圖。

圖11是具體實施方式六的結構示意圖。

圖12是具體實施方式六的側視圖。

圖13是具體實施方式七的結構示意圖。

圖14是具體實施方式七的側視圖。

圖15是具體實施方式八的結構示意圖。

圖16是具體實施方式八的側視圖。

附圖標記說明：

爐窖1、爐牆1-1、爐頂1-2、爐底反應器支撐磚1-3、爐底1-4、沉積反應器物料反應段2、沉積反應器產品沉積段3、下出口法蘭2-1、下冷卻水套2-2、冷卻水套4、蓄熱體5、燒嘴6、風管7、鼓風機8、換向閥9、引風機10、物料11、耐高溫提兜12、耐高溫中心管13。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步的說明。

具體實施方式一：

參看如圖1和圖2所示，本具體實施方式採用的技術方案是：它由爐窖1、沉積反應器、蓄熱體5、燒嘴6、風管7、鼓風機8、換向閥9和引風機10構成；所述的爐窖1採用耐火材料砌築而成，其由爐牆1-1和爐頂1-2構成；四周爐牆1-1的頂部設有爐頂1-2；爐牆1-1上設有燒嘴6和與之配套的蓄熱體5；所述的燒嘴6上連接有風管7，風管7與鼓風機8和引風機10連接，鼓風機8和引風機10之間的連接風管上設有換向閥9；所述的沉積反應器由沉積反應器物料反應段2和沉積反應器產品沉積段3構成；沉積反應器物料反應段2與沉積反應器產品沉積段3焊接連接，且沉積反應器產品沉積段3的外部套設有冷卻水套4，物料11設置在沉積反應器物料反應段2內；所述的沉積反應器物料反應段2設置在爐窖1的內部，所述的沉積反應器產品沉積段3設置在爐窖1的外部。

進一步地，所述的沉積反應器橫插在爐窖1內；所述的爐牆1-1的左右兩側各開設有兩個開孔；所述的沉積反應器呈雙面雙排橫插在開孔內，其中沉積反應器物料反應段2設置在爐牆1-1的內側，且架設在爐底反應器支撐磚1-3上，該爐底反應器支撐磚1-3設置在四周爐牆1-1所圍成空間的底部，沉積反應器產品沉積段3露設在爐牆1-1的外部。

採用上述結構後，本具體實施方式有益效果為：本具體實施方式所述的一種大產量低成本生產氧化亞矽的汽化沉積設備，單體生產設備單產可以達到500-600公斤，並大幅度降低sio的生產成本，較目前國內外同類產品相比具有極強的市場競爭力，為sio在矽基複合負極材料的大規模應用奠定堅實的原始材料基礎，本發明具有結構簡單，設置合理，製作成本低等優點。

具體實施方式二：

參看圖3和圖4，本具體實施方式與具體實施方式一的不同之處在於：所述的爐牆1-1的左右兩側各開設有一個開孔，且兩側的開孔上下交錯設置；所述的沉積反應器呈雙面單排橫插在開孔內，其餘部件和連接關係均與具體實施方式一相同。

具體實施方式三：

參看圖5和圖6，本具體實施方式與具體實施方式一的不同之處在於：所述的爐牆1-1的一側開設有兩個開孔；所述的沉積反應器呈單面雙排橫插在開孔內，其餘部件和連接關係均與具體實施方式一相同。

具體實施方式四：

參看圖7和圖8，本具體實施方式與具體實施方式一的不同之處在於：所述的爐牆1-1的一側各開設有一個開孔；所述的沉積反應器呈單面單排橫插在開孔內，其餘部件和連接關係均與具體實施方式一相同。

具體實施方式五：

參看圖9和圖10，本具體實施方式與具體實施方式一的不同之處在於：沉積反應器豎插在爐窖1內；所述的爐頂1-2上設有數個開孔；所述的沉積反應器豎插在開孔內，其中沉積反應器物料反應段2設置在爐頂1-2的內側，沉積反應器產品沉積段3露設在爐頂1-2的外部；所述的沉積反應器物料反應段2的內部設有耐高溫提兜12；物料11設置於耐高溫提兜12內，所述的耐高溫提兜12的筒壁開設有圓孔，孔的大小任意，其餘部件以及連接關係均與具體實施方式一相同。

具體實施方式六：

參看圖11和圖12，本具體實施方式與具體實施方式一的不同之處在於：沉積反應器豎插在爐窖1內；所述的沉積反應器物料反應段2的內部設有耐高溫中心管13，物料11設置在耐高溫中心管13與沉積反應器物料反應段2之間的夾層內；所述的沉積反應器物料反應段2的下端露設在爐底1-4的外部，且其外部與設有下冷卻水套2-2，最下端設有下出口法蘭2-1；所述的耐高溫中心管13的筒壁開設方孔，孔的大小任意，其餘部件以及連接關係均與具體實施方式一相同。

具體實施方式七：

參看圖13和圖14，本具體實施方式與具體實施方式二的不同之處在於：所述的爐牆1-1的左右兩側開設的孔前後交錯設置，且所述的沉積反應器呈雙面單排橫插在開孔內，其餘部件和連接關係均與具體實施方式二相同。

具體實施方式八：

參看圖15和圖16，本具體實施方式與具體實施方式二的不同住處在於：所述的爐牆1-1的左右兩側開設的孔相對設置，且所述的沉積反應器呈雙面單排橫插在開孔內，，其餘部件和連接關係均與具體實施方式二相同。

以上所述，僅用以說明本發明的技術方案而非限制，本領域普通技術人員對本發明的技術方案所做的其它修改或者等同替換，只要不脫離本發明技術方案的精神和範圍，均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。