制造复合产物的系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种制造复合产物的方法。该方法包括在流化床反应器中提供金属氧化物颗粒的流化床，在流化床反应器中提供催化剂或催化剂前体，在流化床反应器中提供碳源以生长碳纳米管，碳纳米管在碳纳米管生长区中生长，以及收集包含金属氧化物颗粒和碳纳米管的复合产物。本发明专利技术还涉及一种用于制造复合产物的系统。

System and method for manufacturing composite products

The present invention relates to a method for producing composite products. The method includes providing a fluidized bed of metal oxide particles in a fluidized bed reactor, providing a catalyst or a catalyst precursor in a fluidized bed reactor, to provide carbon source for the growth of carbon nanotubes in a fluidized bed reactor, carbon nanotube growth area in carbon nanotube growth, and composite product collection contains metal oxide particles and carbon nanotubes. The invention also relates to a system for manufacturing composite products.

【技术实现步骤摘要】
制造复合产物的系统及方法相关申请的交叉引用本申请要求在2016年3月15日提交的、序号为62/308,480的美国临时专利申请的权益，在此通过引用将其全部内容并入本文。
本专利技术涉及制造复合产物的系统和方法。
技术介绍
碳纳米管是基本上具有管状形式的石墨片构造的小的管状结构。碳纳米管的特征是直径小于100纳米，并且具有大的纵横比，其中长度远大于直径。例如，CNT的长度可以大于直径的1000倍。单壁碳纳米管(SWNT)由于其独特的电子结构而日益成为纳米技术中的各种应用的关注，这赋予它们优异的热、机械和电的性能。例如，SWNT可用于电子设备、能量装置、医药和复合材料中，以获得所需的物理和化学性质。这些用途需要用于制造大量SWNT的方法。制造SWNT的工艺包括但不限于物理方法(例如电弧、激光烧蚀)和化学方法(例如热解、化学气相沉积)。一旦形成，SWNT有时被分配在基质材料中，这改变了基质材料的热、机械和电的性能。然而，通过纳米管添加剂增强基质材料的电或机械的性能需要非常均匀的分散、没有凝聚和对纳米管/基质比率的精细控制。在合成纳米管之后已经进行了尝试将纳米管分散在各种溶剂中(例如经由表面功能化)，然后将纳米管与基质混合(例如通过球磨、超声处理等)。然而，这样的尝试未能提供纳米管在基质中的令人满意的分散，因为它们导致纵横比的降低、损坏纳米管、并且增加了处理材料的成本。
技术实现思路
在一个方案中，提供了一种制造复合产物的方法。该方法包括在流化床反应器内流化一定量的金属氧化物颗粒，在流化床反应器中提供催化剂或催化剂前体，向流化床反应器的碳纳米管生长区提供碳源，在碳纳米管生长区中生长碳纳米管，以及向流化床反应器提供载气流并且运载包括碳纳米管和金属氧化物颗粒的复合产物通过流化床反应器。在一个方案中，提供了一种用于制造复合产物的系统。该系统包括流化床反应器、出口、与流化床反应器流体连通以在流化床反应器中提供催化剂或催化剂前体流的催化剂或催化剂前体源、和与流化床反应器流体连通以运载包括金属氧化物颗粒和在流化床反应器中生长的碳纳米管的复合产物的载气源，该流化床反应器包括包含在其中的一定量的金属氧化物颗粒。在一个方案中，提供了一种制造复合产物的方法。该方法包括：在流化床反应器中提供金属氧化物颗粒的流化床，在流化床反应器中提供催化剂或催化剂前体，在流化床反应器中提供碳源以生长碳纳米管，在流化床反应器的碳纳米管生长区中生长碳纳米管，以及收集包括金属氧化物颗粒和碳纳米管的复合产物。附图说明图1是在本专利技术的一个方案中可用于制造复合产物的示例性系统的示意图。图2是在空气中加热至750℃的锂镍锰钴氧化物的热重量分析(TGA)。图3是在氮气中加热至750℃的锂镍锰钴氧化物的TGA。图4是(a)所接收的、(b)在空气中加热至750℃之后的、和(c)在氮气中加热至750℃之后的锂镍锰钴氧化物的X射线粉末衍射(XRD)光谱。图5是为了放大的目的而扩大的图4的XRD光谱图的一部分。图6是说明在本专利技术的一个方案中可用于制造复合产物的一系列示例性工艺步骤的流程图。具体实施方式本文所述的实施方案涉及复合产物，以及用于制造该复合产物的系统和方法。通常，系统和方法提供在反应器中碳纳米管生长过程中碳纳米管到金属氧化物基质材料中的原位分散。反应器可以是能够使金属氧化物基质材料雾化或流化的流化床反应器，其中流化气体从反应器底部从气体分配器(例如多孔玻璃料)流出。可以在反应器的中间提供一个或多个喷射器以供应用于碳纳米管生长的催化剂和碳前体。因此，碳纳米管可以在大量流化金属氧化物基质材料中生长以提供原位混合，并因此改进所得的含有碳纳米管和金属氧化物基质材料的复合产物的均质性。复合产物可以用在电极中。在非限制性的示例中，复合产物可用在二次锂电池的阴极中。图1是可用于制造包括碳纳米管和金属氧化物基质材料的复合产物102的示例性的系统100的示意图。在示例性实施例中，系统100包括其中包含一定量的金属氧化物基质材料的流化床反应器104。基质材料可以是任何能够悬浮在流化床中的固体、金属氧化物颗粒。示例性的金属氧化物颗粒包括但不限于任何可用在电极中的金属氧化物。在说明性的示例中，金属氧化物是用于电池的阴极的材料。金属氧化物的非限制性示例包括Ni、Mn、Co、Al、Mg、Ti及任何它们的混合物。金属氧化物可以是锂化的。在说明性的示例中，金属氧化物是锂镍锰钴氧化物(LiNiMnCoO2)。金属氧化物颗粒可以具有限定在约1纳米和约100微米之间的范围内的粒径。在非限制性的示例中，金属氧化物颗粒具有约1纳米至约10纳米的平均粒度。在说明性的示例中，流化床反应器104包括反应室108和气体分配器，该气体分配器可包括联接到反应室108的多孔玻璃料110和联接到多孔玻璃料110的气体增压室112。多孔玻璃料110包括限定在其中的多个流动孔114，使得气体增压室112与反应室108流体连通地联接。气体增压室112接收来自第一气体源118的流化气体流。流化气体流被引导通过增压室112和多孔玻璃料110以使反应室108中的金属氧化物颗粒流化。流化气体可以是能够使金属氧化物颗粒流化以形成金属氧化物颗粒的流化床109的任何气体。示例性流化气体包括但不限于氩气、氦气、氮气、氢气、二氧化碳和氨气。如图1所示，流化床反应器104可以包括用于将反应室108加热至期望的反应温度的一个或多个热源119。例如，取决于催化剂或催化剂前体和所需的纳米管类型，反应室108可以用热源119加热至约450℃至约1100℃范围内的温度。在一个实施方案中，特别是为了容纳敏感的阴极材料，反应器可以在更接近该温度的下端(例如～500℃)和在氢气的存在下操作，以避免转化阴极材料。在一个替代实施方案中，反应器可以在更接近上述温度范围的较高端(例如～750℃和更高)和在不存在氢气的情况下操作。从操作反应器获得的产物(无论是在较低或较高温度下)不一定限于SWNT。通常，单壁纳米管(SWNT)需要更高的温度(>750℃)，而多壁纳米管(MWNT)可以低至约450℃生长。在非限制性的示例中，反应器被加热至约450℃至约850℃的温度。如图2、图3、图4和图5所示，锂镍锰钴氧化物通过TGA(图2在空气中、图3在氮气中)和XRD(图4和图5)测量在高达至少850℃是热稳定的。因此，这样的锂化混合金属氧化物可以在适于碳纳米管生长的温度下在流化床反应器中提供。流化床反应器104还可以包括用于引入金属氧化物颗粒、催化剂或催化剂前体、载气127和用于碳纳米管的碳前体的一个或多个入口。如图1所示，提供入口120用于将金属氧化物颗粒从金属氧化物颗粒源106引入反应室108。应当理解，可以使用任何方法或装置来将金属氧化物颗粒经由入口120引入反应室108。在非限制性示例中，可以使用螺旋进料器、带式进料器、振动进料器或旋转(散装固体)进料器将金属氧化物颗粒供给到反应室108中。另外或可选地，金属氧化物颗粒可以气动地输送到反应室108中。非限制性示例包括压力容器输送机、加压螺旋输送机、空气提升器、吹漏进料器和喷射进料器。输送气体可以与流化气体相同或不同。示例性气体包括但不限于氩气、氮气、氦气、氢气、二氧化碳和氨气。应当理解，金属氧化物颗粒可以连续地本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造复合产物的方法，所述方法包括：在流化床反应器内流化一定量的金属氧化物颗粒；在所述流化床反应器中提供催化剂或催化剂前体；将碳源提供到所述流化床反应器的碳纳米管生长区；在所述碳纳米管生长区中生长碳纳米管；以及提供载气流到所述流化床反应器并运载包括所述碳纳米管和所述金属氧化物颗粒的复合产物通过所述流化床反应器。

【技术特征摘要】
2016.03.15 US 62/308,480;2017.03.07 US 15/452,5001.一种制造复合产物的方法，所述方法包括：在流化床反应器内流化一定量的金属氧化物颗粒；在所述流化床反应器中提供催化剂或催化剂前体；将碳源提供到所述流化床反应器的碳纳米管生长区；在所述碳纳米管生长区中生长碳纳米管；以及提供载气流到所述流化床反应器并运载包括所述碳纳米管和所述金属氧化物颗粒的复合产物通过所述流化床反应器。2.根据权利要求1所述的方法，其中运载所述复合产物通过所述流化床反应器包括将所述复合产物朝向限定在所述流化床反应器的顶部附近的出口输送。3.根据权利要求1所述的方法，还包括在收集容器中接收从所述流化床反应器的出口排出的复合产物。4.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述流化床反应器中连续地和/或周期性地补充所述金属氧化物颗粒。5.根据权利要求1所述的方法，还包括将所述碳纳米管生长区加热至大于约450℃至小于约850℃的温度。6.根据权利要求1所述的方法，其中提供所述催化剂或催化剂前体包括从所述流化床反应器的底部注射所述催化剂或催化剂前体并注射到所述纳米管生长区中。7.根据权利要求1所述的方法，其中提供所述载气包括将所述载气流排放到所述纳米管生长区中，并将所述催化剂通过所述纳米管生长区朝向所述流化床反应器出口输送。8.根据权利要求1所述的方法，其中所述流化床反应器包括位于所述纳米管生长区下方的气体分配器，并且在所述流化床反应器内流化所述金属氧化物颗粒包括以足以使所述流化床反应器内的金属氧化物颗粒流化的速率供给流化气体通过所述气体分配器。9.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属氧化物颗粒是混合的金属氧化物颗粒，并且所述碳纳米管是单壁碳纳米管。10.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属氧化物颗粒是锂化的混合的金属氧化物颗粒，并且所述碳纳米管是单壁碳纳米管。11.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属氧化物颗粒是锂镍锰钴氧化物颗粒，并且所述碳纳米管是单壁碳纳米管。12.根据权利要求1所述的方法，其中将所述流化床反应器加热到大于约450℃至小于约850℃的温度。13.根据权利要求1所述的方法，其中将所述流化床反应器加热至大于约800℃的温度。14.一种用于制造复合产物的系统，所述系统包括：流化床反应器，其包括包含在其中的一定量的金属氧化物颗粒，所述流化床包括出口；催化剂或催化剂前体源，其与所述流化床反应器流体连通以在所述流化床反应器中提供催化剂或催化剂前体流；以及载气源，其与所述流化床流体连通以运载包括金属氧化物颗粒和在所述流化床中生长的碳纳米管的复合产物。15.根据权利要求14所述的系统，还包括第一喷射器，该第一喷射器与所述催化剂或催化剂前体源流体连通地联接，并且延伸使得所述催化剂或催化剂前体流被排放到在所述流化床反应器中的纳米管生长区反应中。16.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·哈鲁特尤亚恩，N·皮尔斯，E·M·皮格思，
申请(专利权)人：本田技研工业株式会社，纳米综合加有限公司，
类型：发明
国别省市：日本,JP