锂离子电池氧化硅负极材料制备装置的制作方法

本实用新型涉及锂离子电池领域，具体而言，涉及锂离子电池氧化硅负极材料制备装置。

背景技术：

目前，作为手机，数码相机，笔记本电脑等的便携电子机器，电动汽车，汽车，铁路等电子设备或交通运输装置的电源，对于电源的高密度(高容量)，并且充电循环周期特性良好的非水溶剂充电电池受到了广泛的关注。

现在，在市场上最受到追捧并得到广泛使用的非水充电电池是锂离子充电电池。

现在的锂离子电池的负极材料，普遍为石墨，硬碳等碳元素材料或钛酸锂(Li4Ti5O12)等的氧化物为多。但是，利用这一类负极材料生成的锂离子充电电池的能源密度很低，因此用作电动汽车等电池时在每一次充电后的行走距离相对比较短。

氧化硅(SiO1-X)作为锂电池负极材料被使用的情况下，采用碳或铝等同价数的不同的金属和反应后部分还原的方法以得到上述氧化硅材料，是现有是公认或者被大家广泛提出来的。但是，这种方式虽然可以在还原过程中使得充电电池得到比较高的容量，然而，会由于体积的膨胀使得能量密度短时间内急剧下降。并且因为碳的含量不能精密控制，使得电池在充放电时，电池间的电压平衡不能得到很好的控制，这也是造成电池故障的一大原因之一。

虽然与本实用新型类似的利用电炉或高周波等离子熔融发生时的SiO 气体析出法来制造出氧化硅的方法已经被提出来很久了，(参照日本专利 1-4)但是，其生产性不适合工业生产。

虽然SiO1－X通过氧化硅的还原而成，并且被锂离子电池广泛采用，但是电动汽车等需要能量密度更高的电池，因此对拥有更稳定的循环特性的材料提出了更高的要求。

虽然现在氧化硅碳复合化的制造方法有很多，比如溶胶凝胶法，喷雾热分解法，喷雾干燥法等等(例如参考文献1-6)。但是这些方法只应用在生物，化学分析用材料的研究，没有很好的在充电电池的负极材料的生产制造上被研究和开发。

同时，按照上述的方法来制造氧化硅，还原后在粒子中的碳会产生不均匀分布，或者在还原中，由于碳的挥发作用使得碳的含量很难准确的把握。因为这个原因使得在大量生产的时候会产生碳素物质分布不均匀的负极材料产品，使得产品质量降低，造成电池的不合格和产生电池故障。

由于氧化硅在负极材料的应用中具有周期稳定性低的问题，现在的负极材料市场上普遍采用的是在氧化硅中加入碳元素物质或者其它异性金属，但是，在煅烧还原过程中由于强大的凝聚力会产生粗大颗粒及发生粒子不均匀的问题，使得在周期数的增加的同时，造成能源密度急剧下降。

日本专利1：JP特开2002-260651；

日本专利2：JP特开2007-290919；

日本专利3：JP特开2011-79724；

日本专利4：JP特开2011-243535。

参考文献1：A.V.Llucha,E.Costa,G.G.Ferrera,M.M.Pradas,M.S. Sánchez,Structure and biological response of polymer/silica nanocomposites prepared by sol–gel technique,Composites Sci.Tech., 70,1789-1795(2010)；

参考文献2：W.S.Cheow,S.Li and K.Hadinoto,“Spray drying formulation of hollow spherical aggregates of silica nanoparticles by experimental design”,Chem.Eng.Res.Design,88,673-685(2010)；

参考文献3：M.Ide,E.Wallaert,I.V.Driessche,F.Lynen,P.Sandra and V.D.Voort,“Spherical mesoporous silica particles by spray drying:Doubling the retention factor of HPLC columns”Microporous and Mesoporous Mater.,142,282-291(2011)；

参考文献4：H.R.Jang,H.J.Oh,J.H.Kim and K.Y.Jung,“Synthesis of mesoporous spherical silica via spray pyrolysis:Pore size control and evaluation of performance in paclitaxel pre-purification”, Microporous and Mesoporous Mater.,165,219-227(2013)；

参考文献5：N.Sheeraz,C.Zuikifli and A.Rahman,A green sol–gel route for the synthesis of structurally controlled silica particles from rice husk for dental composite filler,Ceram.Intl.,39, 4559-4567(2013)；

参考文献6：K.Waidon,W.D.Wu,Z.Wu,W.Liu,C.Selomulya,D.Zhao and X.D.Chen“Formation of monodisperse mesoporous silica microparticles via spray-drying”,J.Colloid and Interface Sci,418, 225-233(2014)。

技术实现要素：

本实用新型的第一目的在于提供一种锂离子电池氧化硅负极材料制备装置，通过本实用新型装置能够制备得到形状和成分均匀的氧化硅材料，从而解决现有技术所存在的颗粒和成分不均匀的技术问题。

为了实现本实用新型的上述目的，特采用以下技术方案：

一种锂离子电池氧化硅负极材料制备装置，所述制备装置包括二氧化硅以及含有碳的二氧化硅的制造装置；

其中，所述二氧化硅以及含有碳的二氧化硅的制造装置包括：喷雾装置、反应腔体、第一加热装置，以及第一回收装置；

所述喷雾装置设置于反应腔体的顶部，所述第一回收装置通过管路与反应腔体的下部连接。

优选的，本实用新型所述的锂离子电池氧化硅负极材料制备装置中，所述二氧化硅以及含有碳的二氧化硅的制造装置还进一步包括溶液储存装置以及溶液输送装置；

其中，溶液储存装置通过管路依次与溶液输送装置和喷雾装置相连接。

优选的，本实用新型所述的锂离子电池氧化硅负极材料制备装置中，所述喷雾装置为喷雾嘴或者超声喷雾装置。

优选的，本实用新型所述的锂离子电池氧化硅负极材料制备装置中，所述喷雾嘴为二流体喷雾嘴或四流体喷雾嘴。

优选的，本实用新型所述的锂离子电池氧化硅负极材料制备装置中，所述二流体喷雾嘴或四流体喷雾嘴的直径为1～50μm。

优选的，本实用新型所述的锂离子电池氧化硅负极材料制备装置中，所述反应腔体的长度为1～4m，直径为100～500mm。

优选的，本实用新型所述的锂离子电池氧化硅负极材料制备装置中，所述第一回收装置为过滤回收装置、气旋回收装置、玻璃滤光片回收装置，或者电集尘回收装置。

优选的，本实用新型所述的锂离子电池氧化硅负极材料制备装置中，所述锂离子电池氧化硅负极材料制备装置还包括还原装置。

优选的，本实用新型所述的锂离子电池氧化硅负极材料制备装置中，所述还原装置包括：

第二加热装置，以及第二回收装置；

其中，第二加热装置通过管路与第二回收装置相连接。

优选的，本实用新型所述的锂离子电池氧化硅负极材料制备装置中，所述第二加热装置的下部还设置有原料盛装装置。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

通过本实用新型装置，能够制备得到正确的氧化硅或含有正确分子碳数的氧化硅球状多孔的构造，因而能提高电池的重量能量和输出密度；

同时，通过加热处理使得在氧化硅中碳化生成的碳粒子能在粒子内部分散均匀，使得电池的导电性提高，能得到性能更优良的具有快速充放电功能的锂离子二次电池。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本实用新型实施例二氧化硅以及含有碳的二氧化硅的制造装置结构示意图；

图2为本实用新型实施例还原装置结构示意图。

其中，图1中，1-溶液储存装置，2-溶液输送装置，3-喷雾装置，4- 液滴，5-二氧化硅粒子，6-第一加热装置，7-第一回收装置，8-反应腔体；

图2中，1-第二加热装置1，2-原料盛装装置，3-氧化硅气体，4-第二回收装置，5-氩气入口，6-氧化硅和含有碳的氧化硅。

具体实施方式

下面将结合实施例对本实用新型的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本实用新型，而不应视为限制本实用新型的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本实用新型的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本实用新型中的具体实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本实用新型所保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

有鉴于现有锂离子电池存在由于负极材料的尺寸粒径以及成分均匀性差而导致的锂电池使用功能性差等技术问题，本实用新型特提供了一种新型锂离子电池氧化硅负极材料制备装置，并通过本实用新型装置制备得到具有良好粒径和化学成分一致性的锂离子电池负极氧化硅材料，以解决现有材料所存在的技术问题。

由于锂离子电池氧化硅负极材料的制备分为二氧化硅以及含有碳的二氧化硅制备和还原反应两个不同的步骤进行，因而，本实用新型锂离子电池氧化硅负极材料制备装置同样对应的由两个分装置组成。

其中，第一分装置即为二氧化硅以及含有碳的二氧化硅制备装置，该装置主要包括：喷雾装置、反应腔体、第一加热装置，以及第一回收装置；

所述喷雾装置设置于反应腔体的顶部，所述第一回收装置通过管路与反应腔体的下部连接；

而第一加热装置可以设置于反应腔体内部；或者设置于反应腔体外部，并与反应腔体紧贴或间隔设置；所述第一加热装置可以为电炉、红外炉、电磁炉、微波炉、电弧炉，或者煤气炉等；

优选的，该装置还进一步包括溶液储存装置以及溶液输送装置，其中，溶液储存装置通过管路依次与溶液输送装置和喷雾装置相连接。

溶解/分散于溶液中的原料硅化合物装入溶液储存装置中，然后通过溶液输送装置运送至喷雾装置处，然后，通过喷雾装置，使得溶液形成液滴喷出，并使得所形成的液滴在被第一加热装置加热的反应腔体中强制流通；

同时，在此装置中，为使液滴能达到并保持设定温度(即能够得到充分的加热)，所以圆筒管的长度设定为一米到四米的范围；

进一步的，为了确保液滴的供给量，圆柱体管的内径设定为100毫米至500毫米的范围；

圆柱体管的加热处理的温度设定为500℃到900℃的范围，根据原料的挥发温度情况也可以适当变更。

在这一加热过程中，最终会使液滴中的硅化合物在急剧的热分解过程中生成球状的二氧化硅粒子(及含有碳元素的氧化硅粒子)；

同时，在此过程中，至少部分所形成的二氧化硅粒子中会包裹有溶液中的糖/羟基羧酸，在加热条件下这些糖/羟基羧酸会被热分解，从而形成碳，进而得到粒径分布和成分分布均匀的包裹有碳元素的二氧化硅颗粒，并进一步经部分还原得到组成为SiO1-xCx(其中，0＜x＜1)的锂离子电池氧化硅负极材料；

而未包覆糖/羟基羧酸的二氧化硅粒子则经进一步还原得到组成为SiO1-x(其中，0＜x＜1)的锂离子电池氧化硅负极材料。

二氧化硅的回收是利用第一回收装置进行，例如可以采用过滤器，并通过滤器滤布上的吸附附着进行回收，同时，也可以采用气旋、玻璃滤光片、电集尘等方法进行二氧化硅的回收。

第二分装置则是还原装置，所述还原装置包括：第二加热装置，以及第二回收装置；

其中，第二加热装置通过管路与第二回收装置相连接；所述第二加热装置为电炉、高周波感应炉，红外线加热炉，和波多黎各针织炉，马弗炉，煤气炉，真空炉等；

优选的，所述第二加热装置的下部还设置有原料盛装装置，所述原料盛装装置优选的可以为坩埚。

该装置中的具体反应流程如下，将二氧化硅以及含有碳的二氧化硅放入第二加热装置的原料盛装装置内，并与硅粉末一起进行高温加热，通过硅还原作用产生氧化硅气体，冷却后，通过第二回收装置得到氧化硅和含有碳的氧化硅。

所述第二回收装置可以为热带气旋回收装置，过滤回收装置，电气吸尘器回收装置，利用静电回收装置等设备进行氧化硅和含有碳的氧化硅的回收。

实施例1

请参考图1，本实用新型锂离子电池氧化硅负极材料制备装置中，二氧化硅以及含有碳的二氧化硅的制造装置包括：

溶液储存装置1，溶液输送装置2，喷雾装置3，反应腔体8、第一加热装置6，以及第一回收装置7。

其中，喷雾装置3设置于反应腔体8的顶部，第一回收装置7通过管路与反应腔体8的下部连接；

溶液储存装置1通过管路依次与溶液输送装置2和喷雾装置3相连接。

溶解/分散于溶液中的原料硅化合物装入溶液储存装置1中，然后通过溶液输送装置2运送至喷雾装置3处，然后，通过喷雾装置3，使得溶液形成液滴4喷出，并使得所形成的液滴4在被第一加热装置加热的反应腔体8中强制流通；

在这一加热过程中，最终会使液滴4中的硅化合物在急剧的热分解过程中生成球状的二氧化硅粒子5；

同时，在此过程中，至少部分所形成的二氧化硅粒子5中会包裹有溶液中的糖/羟基羧酸，在加热条件下这些糖/羟基羧酸会被热分解，从而形成碳，进而得到组成为SiO1-xCx(其中，0＜x＜1)的锂离子电池氧化硅负极材料；

而未包覆糖/羟基羧酸的二氧化硅粒子5则经进一步还原得到组成为SiO1-x(其中，0＜x＜1)的锂离子电池氧化硅负极材料。

请参考图2，本实用新型锂离子电池氧化硅负极材料制备装置中，还原装置包括：

第二加热装置1，原料盛装装置2，以及第二回收装置4；

其中，第二加热装置1通过管路与第二回收装置相连接4；

将二氧化硅以及含有碳的二氧化硅放入第二加热装置1的原料盛装装置2内，并与硅粉末一起进行高温加热，通过硅还原作用产生氧化硅气体3，所生成的氧化硅气体3经由氩气入口5通入的氩气带动，并在冷却后，通过第二回收装置4得到氧化硅和含有碳的一氧化硅6。

尽管已用具体实施例来说明和描述了本实用新型，然而应意识到，在不背离本实用新型的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本实用新型范围内的所有这些变化和修改。