【技術實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術涉及電池材料領域，具體的說是一種硅碳復合材料及其制備方法、以及制備系統(tǒng)。
技術介紹
1、液態(tài)鋰離子電池是目前普遍適用的電池技術，該技術被認為在工作電壓、能量密度及循環(huán)壽命上具有一定的優(yōu)勢。但近1、2年，隨著技術的迭代及社會對儲能部件的更高需要，該技術在能量密度再提升及安全性能改進等方面仍存在難題。固態(tài)電池技術能夠通過材料體系改進等方法提升電池能量密度，且能夠實現(xiàn)電池的本征安全，契合未來便攜式充電設備、新能源汽車及人工智能等對鋰離子電池技術的發(fā)展要求，也是未來鋰離子電池升級的重要技術方向。
2、近期，隨著正極材料技術不斷取得新突破，動力電池傳統(tǒng)石墨負極的理論克容量為372mah/g，無法很好的與正極材料進行匹配，急需尋求一種高比容量的新興材料，而硅材料的理論克容量上限超石墨10倍，可達4200mah/g，克容量優(yōu)勢明顯，但在循環(huán)過程中，硅電導率差、固體電解質界面(sei)膜反復形成和破壞、體積膨脹嚴重(～300％)，限制了硅的實際應用。因此，對硅材料進行有效改性(如包覆、沉積等方法)成為了研究的熱點，以期發(fā)揮出硅、碳各自的性能優(yōu)勢，形成新的高能量密度的負極材料，與正極有效匹配，獲得高能量密度及性能安全的固態(tài)電池產品。
3、如cn?113957417?a公開了一種cvd流化沉積裝置及硅碳負極材料的制備方法，該方法是通過向反應腔中輸送碳基材料，通過載氣輸送機構向反應腔輸入載氣，使反應腔中的碳基材料產生流態(tài)化，通過氣相材料輸送機構向反應腔中輸送硅源氣體和還原氣體，硅源氣體與流態(tài)化的碳基材料在反應腔中進行
4、上述技術方案存在以下問題：
5、1)現(xiàn)有技術大都是在固態(tài)的碳基材料上沉積硅形成包覆結構，這樣反應基理由于沉積過程復雜，會存在產品一致性不穩(wěn)定、放大困難的問題。
6、2)采用上述基理反應時，由于氣態(tài)硅源在100℃即開始沉積反應，固態(tài)的碳源和氣態(tài)的硅源不能在反應前的設備中升溫預混，否則會造成沉積不均勻，因此只能分開不同的管道通入流化床中升溫反應，導致混合效果較差、反應速率低、時間長、能耗大。
7、3)在流化床中一個階段反應結束后，需要先停止反應(停止氣體通入、降低/調整溫度)，氣體置換，之后進行新一輪的反應。這種反應方法耗時比較長，生產效率低，成本高；反應過程的不連續(xù)也會影響所得硅碳負極材料的電化學性能。
8、cn?117867464?a公開了一種連續(xù)制備硅碳負極材料的方法，其將硅沉積和碳包覆在兩組流化床中進行，前一階段進行完畢后，可直接通過管道運輸至下一階段，實現(xiàn)了連續(xù)生產，提升了硅碳負極材料的生產效率，降低了生產成本。該技術方案其一方面需要兩組流化床，提高了投資成本；另一方面，仍然未解決前述第1)和2)點的技術問題。
技術實現(xiàn)思路
1、本專利技術的目的是為了解決上述技術問題，提供一種工藝簡單、生產和投資成本低、可實現(xiàn)連續(xù)生產，反應速率高、產品性能好、可實現(xiàn)大規(guī)模生產的硅碳復合材料的制備方法。
2、本專利技術還提供一種由上述方法制備得到的硅碳復合材料，該材料具有成本低、倍率性能和快充性能優(yōu)良、容易規(guī)模放大的優(yōu)異特性。
3、本專利技術還提代一種生產和投資成本低、效率高、可長期、連續(xù)、穩(wěn)定運行的用于上述方法制備的硅碳復合材料的制備系統(tǒng)
4、本專利技術硅碳復合材料的制備方法，將顆粒狀的固體硅源和氣態(tài)碳源預混并預熱至300-600℃，然后送入流化床中流化反應，控制溫度為300-900℃，操作壓力0.05-0.15mpa(g)，反應后的氣固混合物經過濾分離得到硅碳復合材料和尾氣，所述硅碳復合材料送入產品料倉。
5、所述硅源為含晶體及非晶體的硅單質。
6、所述含晶體及非晶體的硅單質為金屬硅粉、多晶硅或單晶硅粉。
7、所述的硅源粒徑為5-100nm，優(yōu)選為5-65nm，更為優(yōu)選為10-50nm。
8、碳源為含有烴類的混合氣，其中烴類占混合氣體積配比為3％-100％，優(yōu)選為3％-45％，更為優(yōu)選為3％-30％。
9、所述含有烴類的混合氣中，烴類為甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、丙烯中的至少一種，除了烴類以外的氣體為氫氣、氮氣或惰性氣體中的至少一種。
10、所述氣態(tài)碳源分為兩股，一股與固體硅源預混后送入流化床底部的噴嘴中，另一股直接送入流化床底部的噴嘴中。
11、控制流化床內固態(tài)硅源和氣態(tài)碳源的混合質量比為1:1-10，更為優(yōu)選為1：2-6。
12、對產品料倉內的硅碳復合材料進行檢測，當其不滿足產品性能時，則將產品料倉內的硅碳復合材料循環(huán)回送流化床底部的噴嘴中噴出繼續(xù)反應；當滿足產品性能時，則將產品料倉內的硅碳復合材料降溫后作為合格產品引出。
13、過濾除塵后得到的尾氣用于間接預熱氣態(tài)碳源。
14、當需要將產品料倉內的硅碳復合材料循環(huán)回送流化床底部的噴嘴中時，則將過濾除塵后得到的尾氣引出部分作為載氣送入產品料倉，和硅碳復合材料一起循環(huán)回送流化床底部。
15、一種用于上述制備方法的硅碳復合材料的制備系統(tǒng)，包括依次連接的進料單元、流化床和除塵單元，所述除塵單元底部連接產品料倉，所述除塵單元頂部具有尾氣排出口；所述產品料倉底部經回料管連接所述流化床進料管。
16、所述進料單元經混合料倉連接流化床的進料管，所述混合料倉和產品料倉均設有控溫裝置。
17、所述流化床底部沿圓周方向均勻設有多個進料噴嘴，頂部設有內置的旋風分離器。
18、所述進料噴嘴為兩通道或多通道噴嘴，至少一個通道通入來自混合料倉的混合料，至少另一個通道通入氣態(tài)碳源。
19、所述除塵單元頂部的尾氣排出口分別與原料預熱器的尾氣進口以及產品料倉的載氣進口連通；所述原料預熱器的碳源出口分別與混合料倉和流化床的進料噴嘴連通。
20、所述進料單元包括依次連接的硅源料倉、硅源稱重貯斗和硅粉旋轉給料器。
21、本專利技術硅碳復合材料，由上述方法制備得到。
22、針對
技術介紹
中存在的問題，專利技術人進行了如下改進：
23、1)采用cvd沉積的基理，將固態(tài)硅源和氣態(tài)碳源在流化態(tài)下反應，生成新型硅碳復合材料，這里所述硅源為含晶體及非晶體的硅單質，可有效提升復合材料的比容量，含有烴類的混合氣中的烴類能夠在高溫下裂解，在硅源表面形成碳包覆，這種反應下生成的硅碳復合材料，一致性好，具有優(yōu)良的倍率性能和快充性能，能夠在高電流密度下保持較高的比容量，作為固態(tài)電池負極材料，能夠提升電池電池的能量密度和續(xù)航能力。
24、2)基于上述反應原理，克服了原料不能在流化反應前預混加熱的問題，固態(tài)硅源和氣態(tài)碳源可以在進入流化床前混合預熱，這種混合預熱方式具有多重效果：a,通過對原料預熱后再送入流化床后可以快速升溫至反應溫度，物料溫度均勻性好、提高反應速率；b,預混有利于氣固相均相化，且比例可調，進料溫度可維持，操作靈活，確本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種硅碳復合材料的制備方法，其特征在于，將顆粒狀的固體硅源和氣態(tài)碳源預混并預熱至300-600℃，然后送入流化床中流化反應，控制溫度為300-900℃，操作壓力0.05-1.5MPa(g)，反應后的氣固混合物經過濾分離得到硅碳復合材料和尾氣，所述硅碳復合材料送入產品料倉。
2.如權利要求1所述的硅碳復合材料的制備方法，其特征在于，所述硅源為含晶體及非晶體的硅單質。
3.如權利要求2所述的硅碳復合材料的制備方法，其特征在于，所述含晶體及非晶體的硅單質為金屬硅粉、多晶硅或單晶硅粉。
4.如權利要求1所述的硅碳復合材料的制備方法，其特征在于，所述的硅源粒徑為5-100nm。
5.如權利要求1所述的硅碳復合材料的制備方法，其特征在于，碳源為含有烴類的混合氣，其中烴類占混合氣體積配比為3％-100％。
6.如權利要求5所述的硅碳復合材料的制備方法，其特征在于，所述含有烴類的混合氣中，烴類為甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、丙烯中的至少一種，除了烴類以外的氣體為氫氣、氮氣或惰性氣體中的至少一種。
7.如權利要求1所述的硅碳復合
8.如權利要求1-7任一項所述的硅碳復合材料的制備方法，其特征在于，控制流化床內硅源和氣態(tài)碳源的混合質量比為1：1-10。
9.如權利要求1所述的硅碳復合材料的制備方法，其特征在于，對產品料倉內的硅碳復合材料進行檢測，當其不滿足產品性能時，則將產品料倉內的硅碳復合材料循環(huán)回送流化床底部的噴嘴中噴出繼續(xù)反應；當滿足產品性能時，則將產品料倉內的硅碳復合材料降溫后作為合格產品引出。
10.如權利要求1或9所述的硅碳復合材料的制備方法，其特征在于，過濾除塵后得到的尾氣用于間接預熱氣態(tài)碳源。
11.如權利要求10所述的硅碳復合材料的制備方法，其特征在于，當需要將產品料倉內的硅碳復合材料循環(huán)回送流化床底部的噴嘴中時，則將過濾除塵后得到的尾氣引出部分作為載氣送入產品料倉，和硅碳復合材料一起循環(huán)回送流化床底部。
12.一種用于權利要求1-11任一項制備方法的硅碳復合材料的制備系統(tǒng)，包括依次連接的進料單元、流化床和除塵單元，其特征在于，所述除塵單元底部連接產品料倉，所述除塵單元頂部具有尾氣排出口；所述產品料倉底部經回料管連接所述流化床進料管。
13.如權利要求12所述的硅碳復合材料的制備系統(tǒng)，其特征在于，所述進料單元經混合料倉連接流化床的進料管，所述混合料倉和產品料倉均設有控溫裝置。
14.如權利要求12或13所述的硅碳復合材料的制備系統(tǒng)，其特征在于，所述流化床底部沿圓周方向均勻設有多個進料噴嘴，頂部設有內置的旋風分離器。
15.如權利要求14所述的硅碳復合材料的制備系統(tǒng)，其特征在于，所述進料噴嘴為兩通道或多通道噴嘴，至少一個通道通入來自混合料倉的混合料，至少另一個通道通入氣態(tài)碳源。
16.如權利要求14所述的硅碳復合材料的制備系統(tǒng)，其特征在于，所述除塵單元頂部的尾氣排出口分別與原料預熱器的尾氣進口以及產品料倉的載氣進口連通；所述原料預熱器的碳源出口分別與混合料倉和流化床的進料噴嘴連通。
17.如權利要求12所述的硅碳復合材料的制備系統(tǒng)，其特征在于，所述進料單元包括依次連接的硅源料倉、硅源稱重貯斗和硅粉旋轉給料器。
18.一種硅碳復合材料，其特征在于，由權利要求1-11任一項的方法制備得到。
...【技術特征摘要】
1.一種硅碳復合材料的制備方法，其特征在于，將顆粒狀的固體硅源和氣態(tài)碳源預混并預熱至300-600℃，然后送入流化床中流化反應，控制溫度為300-900℃，操作壓力0.05-1.5mpa(g)，反應后的氣固混合物經過濾分離得到硅碳復合材料和尾氣，所述硅碳復合材料送入產品料倉。
2.如權利要求1所述的硅碳復合材料的制備方法，其特征在于，所述硅源為含晶體及非晶體的硅單質。
3.如權利要求2所述的硅碳復合材料的制備方法，其特征在于，所述含晶體及非晶體的硅單質為金屬硅粉、多晶硅或單晶硅粉。
4.如權利要求1所述的硅碳復合材料的制備方法，其特征在于，所述的硅源粒徑為5-100nm。
5.如權利要求1所述的硅碳復合材料的制備方法，其特征在于，碳源為含有烴類的混合氣，其中烴類占混合氣體積配比為3％-100％。
6.如權利要求5所述的硅碳復合材料的制備方法，其特征在于，所述含有烴類的混合氣中，烴類為甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、丙烯中的至少一種，除了烴類以外的氣體為氫氣、氮氣或惰性氣體中的至少一種。
7.如權利要求1所述的硅碳復合材料的制備方法，其特征在于，所述氣態(tài)碳源分為兩股，一股與固體硅源預混后送入流化床底部的噴嘴中，另一股直接送入流化床底部的噴嘴中。
8.如權利要求1-7任一項所述的硅碳復合材料的制備方法，其特征在于，控制流化床內硅源和氣態(tài)碳源的混合質量比為1：1-10。
9.如權利要求1所述的硅碳復合材料的制備方法，其特征在于，對產品料倉內的硅碳復合材料進行檢測，當其不滿足產品性能時，則將產品料倉內的硅碳復合材料循環(huán)回送流化床底部的噴嘴中噴出繼續(xù)反應；當滿足產品性能時，則將產品料倉內的硅碳復合材料降溫后作為合格產品引出。
【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：武麗娜，周紅軍，張廣營，房全國，魏婷婷，鄭勇，晏雙華，徐才福，肖敦峰，
申請(專利權)人：中國五環(huán)工程有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：
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