一种硅基电极材料的制备装置和制备方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及锂离子负极材料制备技术领域，具体而言，涉及一种硅基电极材料的制备装置和制备方法，包括熔炼单元和设置在所述熔炼单元下方的造粒单元；所述熔炼单元包括熔炼装置，所述熔炼装置设置有出料口；所述造粒单元包括造粒室以及设置在所述造粒室内部的转盘和至少两个物料喷头，所述造粒室上方设置有入料口，所述入料口在所述转盘的上方；所述熔炼装置出料口与所述造粒室入料口通过管道连接。可以在同一套装置内完成预锂化、纳米化、氧化、掺杂和/或包覆处理，对收集到的材料再经过必要的后处理后，获得可应用于制备锂离子电池的硅基负极材料，流程和操作简单，可以实现批量化生产，在生产成本和性能上具有综合优势。在生产成本和性能上具有综合优势。在生产成本和性能上具有综合优势。

【技术实现步骤摘要】
一种硅基电极材料的制备装置和制备方法


[0001]本专利技术涉及锂离子负极材料制备
，具体而言，涉及一种硅基电极材料的制备装置和制备方法。

技术介绍

[0002]锂离子电池自上世纪九十年代初实现规模化商业生产以来，以其高体积能量比、高重量能量比、高电压、低放电率、无记忆效应和长循环寿命等优点被广泛应用于各个领域。石墨碳材料一直是锂离子电池的负极活性物质，考虑到其理论放电比容量偏低(372mAh/g)，因此近年来寻找比石墨碳负极具有更高比容量的负极活性物质，一直是人们希望提升锂离子电池比能量的努力方向。在众多有望替代石墨碳的负极材料中，以硅和硅氧化物(SiO
x
)为代表的硅基纳米材料得到了特别重视。这主要是因为硅基材料具有更高的比能量、相当的电压平台和充足的地质含量等。但是，如何制备纳米级硅基材料，并解决现有制备技术无法解决的诸如体积膨胀、导电率较差和初始充电效率过低等问题，则是推进硅基纳米材料走向商业化应用的关键。
[0003]目前，制备纳米硅基材料的方法通常是：先将毫米尺度的粗硅粉碎至100微米以下，然后用砂磨机研磨至纳米级别，最后经过氧化、煅烧流程，才获得适用于锂电池负极的纳米硅基材料。但是，这种方法效率低下，能耗高，并且流程长，生产成本十分高昂，在经济性和可规模化生产方面存在较大的缺陷。
[0004]有鉴于此，特提出本专利技术。

技术实现思路

[0005]本专利技术的第一目的在于提供一种硅基电极材料的制备装置，该装置可以实现硅材料在同一套装置内完成预锂化、纳米化、氧化、掺杂和/或包覆处理，获得可直接应用于锂离子电池的硅基负极材料。
[0006]本专利技术的第二目的在于提供如上所述的硅基电池材料的制备方法，应用所述硅基电极材料的制备装置，实现硅材料预锂化、纳米化、氧化、掺杂和/或包覆碳，获得可直接应用于锂离子电池的硅基负极材料，流程简单，可以实现批量化生产，在生产成本和性能上具有综合优势。
[0007]为了实现本专利技术的上述目的，特采用以下技术方案：
[0008]一种硅基电极材料的制备装置，包括熔炼单元和设置在所述熔炼单元下方的造粒单元；
[0009]所述熔炼单元包括熔炼装置，所述熔炼装置设置有出料口；
[0010]所述造粒单元包括造粒室以及设置在所述造粒室内部的转盘和至少两个物料喷头，所述造粒室上方设置有入料口，所述入料口在所述转盘上方；
[0011]所述熔炼装置出料口与所述造粒室入料口通过管道连接。
[0012]优选地，所述熔炼装置包括承载熔融态材料的腔室和设置在所述腔室外侧的加热
及温控装置；
[0013]更优选地，所述出料口设置在所述腔室的侧面；
[0014]更优选地，所述腔室内设置有搅拌装置；
[0015]更优选地，所述腔室的材质为刚玉和/或石墨；
[0016]更优选地，所述腔室上方设置有投料口。
[0017]优选地，所述造粒室的外侧包覆有第一冷却管道，所述第一冷却管道用于盛放冷区介质，用于调控造粒室中的温度。
[0018]优选地，所述转盘下方盘旋装置上设置有第二冷却管道，所述第二冷却管道用于盛放冷区介质，用于调控转盘的温度。
[0019]优选地，所述造粒室的底部设置有物料收集装置。
[0020]优选地，所述物料喷头设置在所述造粒室的底部。
[0021]优选地，所述熔炼装置出料口与所述造粒室入料口之间的管道上设置有流量控制器。
[0022]一种硅基电极材料的制备方法，使用所述的硅基电极材料的制备装置，包括以下步骤：
[0023](a)将硅材料、掺杂元素和/或锂单质通过投料口放入熔炼装置内，加热将其熔化成熔融液，所述熔融液通过管道进入造粒单元的造粒室，落在旋转的转盘上，在离心、重力、撞击力和表面张力共同作用下，分散成纳米硅熔液滴；
[0024](b)在形成所述硅熔液滴的同时，通过物料喷头向所述造粒室内喷入惰性气体、含氧气体和/或碳源材料，所述惰性气体优选包括氮气和氩气，使硅熔液滴在冷却为固体颗粒过程中不发生氧化，得到硅纳米颗粒材料；所述含氧气体使所述硅熔液滴在冷却过程中表面得到一定程度的氧化，得到硅氧纳米颗粒材料；所述碳源材料可在硅熔液冷却过程中包覆在所述硅颗粒的表面，冷却后得到所述硅基碳复合纳米材料。
[0025]优选地，所述硅材料包括单晶硅、多晶硅和非晶硅中的一种或多种。
[0026]优选地，所述掺杂元素包括钠、钾、镁、钙、铁、铋和铟中的一种或多种。
[0027]优选地，所述碳源材料包括无机碳源和有机碳源，更有效地包括石墨、无定型碳、石墨烯、碳纳米管、甲烷、乙烷、丙烯酸聚合物、脂肪酸、酚醛树脂中的一种或多种。
[0028](c)对收集到的硅基纳米材料，可根据商业电池的性能要求，做必要的后续筛分、热处理、表面处理和/或二次造粒，得到所述的硅基电极材料。
[0029]所述的制备方法所制备的硅基电极材料在制备锂离子电池负极材料中的用途。
[0030]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0031]本专利技术所提供的硅基电极材料的制备装置和制备方法，可以在同一套装置内完成预锂化、纳米化、氧化、掺杂和/或包覆处理，对收集到的材料再经过必要的后处理后，获得可直接应用于锂电池的硅基负极材料，流程简单，可以实现批量化生产。
附图说明
[0032]为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前
提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0033]图1为本专利技术实施例所提供的硅基电极材料制备装置的示意图。
[0034]附图标记：
[0035]1‑
熔炼单元，
[0036]11
‑
熔炼装置，12
‑
出料口，13
‑
腔室，14
‑
加热装置，15
‑
搅拌装置，16
‑
投料口，17
‑
流量控制器，
[0037]2‑
造粒单元，
[0038]21
‑
造粒室，22
‑
转盘，23
‑
第一冷却管道，24
‑
第二冷却管道，25
‑
物料收集装置，26
‑
喷头。
具体实施方式
[0039]下面将结合附图和具体实施方式对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本专利技术，而不应视为限制本专利技术的范围。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。实施例中未注明具体条本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅基电极材料的制备装置，其特征在于，包括熔炼单元和设置在所述熔炼单元下方的造粒单元；所述熔炼单元包括熔炼装置，所述熔炼装置设置有出料口；所述造粒单元包括造粒室以及设置在所述造粒室内部的转盘和至少两个物料喷头，所述造粒室上方设置有入料口，所述入料口在所述转盘上方；所述熔炼装置出料口与所述造粒室入料口通过管道连接。2.根据权利要求1所述的硅基电极材料的制备装置，其特征在于，所述熔炼装置包括承载熔融态硅材料的腔室和设置在所述腔室外侧的加热及控温装置；优选地，所述出料口设置在所述腔室的侧面；优选地，所述腔室内设置有搅拌装置；优选地，所述腔室的材质为刚玉和/或石墨；优选地，所述腔室上方设置有投料口。3.根据权利要求1所述的硅基电极材料的制备装置，其特征在于，所述造粒室的外侧包覆有第一冷却管道，所述第一冷却管道用于盛放冷区介质，用于调控造粒室中的温度。4.根据权利要求1所述的硅基电极材料的制备装置，其特征在于，所述转盘下方盘旋装置上设置有第二冷却管道，所述第二冷却管道用于盛放冷区介质，用于调控转盘的温度。5.根据权利要求1所述的硅基电极材料的制备装置，其特征在于，所述造粒室的底部设置有物料收集装置。6.根据权利要求1所述的硅基电极材料的制备装置，其特征在于，所述物料喷头设置在所述造粒室的底部。7.根据权利要求1所述的硅基电极材料的制备装置，其特征在于，所述熔炼装置出料口与所述造粒室入料口之间的管道上设置有流量控制器。8.一种硅...

【专利技术属性】
技术研发人员：南俊民，马振，陈家辉，杨天翔，王文炼，左晓希，肖信，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：