一种CVD制备二次电池复合负极材料的系统及制备方法技术方案

本发明专利技术涉及新能源材料制造技术领域，公开了一种CVD制备二次电池复合负极材料的系统及制备方法，包括:固相物料输送计量系统、气相物料和载气供给系统、CVD反应和产品筛分系统、反应后物料处理系统。固相物料输送计量系统第一出口定量投料器通过管道与CVD反应和产品筛分系统连通；气相物料和载气供给系统第一出口载气混合通过管道与CVD反应和产品筛分系统连通；CVD反应和产品筛分系统第一出口CVD反应器通过管道与反应后物料处理系统连通；通过化学气相沉积工艺，经过气相物料CVD包覆，形成了满足工艺要求的二次电池复合负极一体化材料，本发明专利技术提高了二次电池的容量密度和使用寿命，对推进二次电池产业的进步具有重要意义。推进二次电池产业的进步具有重要意义。推进二次电池产业的进步具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种CVD制备二次电池复合负极材料的系统及制备方法


[0001]本专利技术涉及新能源材料制造
，特别是涉及一种CVD制备二次电池复合负极材料的系统及制备方法。

技术介绍

[0002]二次电池又称充电电池或蓄电池，是利用化学反应的可逆性，当一个化学反应转化为电能之后，还可以用电能使化学体系修复，然后再利用化学反应转化为电能，二次电池主要依靠电离离子在正极和负极之间移动进行工作。在充放电过程中，电离离子在两个电极之间往返嵌入和脱嵌，充电时电离离子从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富离子状态，放电时则相反。以锂离子电池为例，锂离子电池由于其工作电压高、能量密度大、循环寿命长等优点广泛应用于消费电子、新能源汽车等领域。
[0003]二次电池通常由正极材料、负极材料、隔膜、电解液等组成，负极材料是二次电池的重要组成部分，其性能直接影响着电池的能量密度、功率密度、循环稳定性等重要指标。以锂离子电池为例：目前锂离子电池负极材料以石墨为主，其凭借工艺成熟、成本较低和性能较好的优势占据90%的负极材料市场。石墨材料虽然具有高电导率和较好的稳定性，但在能量密度方面的发展已接近其理论最大值372mAh/g，而纯硅材料的理论容量可达4200mAh/g，硅碳负极材料理论容量能轻松超过400mAh/g，并且硅能从各个方向提供锂离子嵌入和脱出的通道，快充性能优异。特斯拉和松下已经展开硅碳负极的应用多年，解决新能源车续航里程难题，提高能力密度，硅碳负极是必经之路。
[0004]硅碳负极解决了二次电池（如锂离子电池）的能量密度，但循环稳定性对二次电池也是至关重要的。研究表明，碳化硅负极材料具有卓越的循环稳定性，极具发展潜力。其中，“ELECTROCHEMICAL ENERGY STORAGE RESEARCH OF SILICON CARBIDE NANOWIRES”提及“CVD制备纳米碳化硅作为电极片直接使用于锂离子电池，不添加任何粘结剂和电子导电材料，展现出高的容量比和好的循环保持性。相比之下，外层包裹碳材的纳米碳化硅表现出很好的电化学性能。CVD法制备碳化硅纳米线薄膜生长在石墨纸上不同生长状态下不同形貌的碳化硅材料分别应用于超级电容器上，测试其电化学性能，发现经过200周循环后，碳化硅活性材料完全与电解液接触，比容量增加，1000周循环后仍然保持比容量不变，显示出卓越的循环稳定性”。
[0005]因此，选用不同的固相和气相材料组合，采用CVD工艺，制备出包覆成核壳结构、镶嵌型结构并具有不同性能参数的硅碳负极、碳化硅碳负极、硅负极、碳化硅负极、碳化硅硅碳负极、硅碳化硅碳负极、碳硅碳负极等复合负极材料，进一步提高二次电池的能量密度和循环稳定性，对于解决各种非化石能源电能的储存、新能源车的里程焦虑和电池寿命等具有重大意义，也是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术在总结多次中试试验情况的基础上，着眼于工业化生产，提供了
一种CVD制备二次电池复合负极材料的系统及其制备方法，通过采用不同固相、气相材料及其组合，设计合理的CVD反应系统，并针对不同的物料组合及目标产物，调节合适的CVD工艺参数，可以制备包覆成核壳结构、镶嵌型结构并满足多种二次电池工艺要求的硅碳负极、碳化硅碳负极、硅负极、碳化硅负极、碳化硅硅碳负极、硅碳化硅碳负极、碳硅碳负极等复合负极材料，实现二次电池高能量密度高循环稳定性。
[0007]为了实现本专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案：一种CVD制备二次电池复合负极材料的系统，包括:固相物料输送计量系统、气相物料和载气供给系统、CVD反应和产品筛分系统、反应后物料处理系统，所述固相物料输送计量系统，包括固相物料储存的主料仓、自动上料机、物料储存箱、定量投料器及惰性密封气，固相物料输送计量系统第一出口定量投料器通过管道与CVD反应和产品筛分系统连通；所述气相物料和载气供给系统，包括惰性气体置换、气相物料和载气混合，气相物料和载气供给系统第一出口载气混合通过管道与CVD反应和产品筛分系统连通；所述CVD反应和产品筛分系统，包括CVD反应器、筛分器、不合格品罐、合格品罐及自动包装机，CVD反应和产品筛分系统第一出口CVD反应器通过管道与反应后物料处理系统连通；所述反应后物料处理系统，包括过滤器、真空机组、真空机组排气缓冲罐、压缩机、冷凝器、气液分离器、回收料暂存罐、回收载气储罐及尾气处理系统；其中，主料仓内部凡与物料接触的表面均喷涂防静电特氟龙，物料储存箱支撑底部设有压力称重传感器，误差不超过0.2%，重量信号接入PLC确保物料储存箱定量进料并实现进出料记录；各个料仓设有气动敲击锤，气动敲击锤可按程序设定的频率自动敲击也可手动控制，以惰性气体对各料仓进行置换、密封，确保该系统氧含量在0.5%以下；其中，CVD反应器炉尾罩及炉头罩均设置进气口，用于向炉内充入反应气体以适应CVD工艺，所述惰性气体包括但不限于氮气、氩气、氦气，优选氩气、氦气，所述气相物料包括但不限于含硅类的硅烷、甲基硅烷及虽然常温下为液体但可升温气化为气体的三甲基硅烷、甲基三氯硅烷、二氯二氢硅、三氯氢硅、四氯化硅等；含碳类甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烷、丙烯及虽然常温下为液体但可升温气化为气体的丙酮、苯、乙醇、甲苯等；所述混合方法优选为采用静态混合气混合、一种硅类气体通入液态碳类气源挥发携带混合、一种碳类气体通入液态硅类气源挥发携带混合；所述CVD反应器优选滚筒式回转结构由炉管、炉体、加热元件、螺旋进料器、炉管头/尾密封罩、炉管支撑装置、炉管驱动装置、底座CVD反应器升降装置组成，炉管优选锥形设计，避免气体在炉管中流动死角的形成；其中，所述物料过滤器上部设有316L丝网除沫装置，并带有冷却夹套、冷却盘管、内置冷却翅片或上述多种冷却方式组合的罐式过滤器，所述过滤器还设有惰性气体吹扫管道和控制阀、冷凝液排放管道和控制阀、吹扫气排放管道和控制阀等，所述排液管道接至回收料暂存罐，所述吹扫气排放管道接至尾气处理装置；所述真空机组优选为由旋片泵或化工泵或罗茨泵中的二种、三种的组合，所述真空机组将信号传输至PLC系统，在PLC系统控制真空机组的启停、监控真空机组的运行状态，所述真空机组还包括相应的电动真空球阀、气动真空球阀、手动真空球阀、电磁单向阀、真空测量仪表、波纹管、真空管路，在真空管路上设有真空气动球阀、KF接口，真空机组前设有单向阀；所述压缩机为隔膜压缩机、无油活塞式压缩机，压缩机带有进排气压力自调节系
统，所述压缩机将信号传输至PLC系统，在PLC系统控制压缩机的启停、监控压缩机的运行状态；所述气液分离器带有冷却夹套、内置冷却盘管、翅片；所述气液分离器带有压力、温度、液位传感器及在线气体分析仪，相关信号传入PLC系统，由PLC系统实时监测、控制，所述气液分离器至少包括3个出料管道，所述第一出料管道为液相出料管道，管道上设有电动、气动阀门，包括但不限于球阀、蝶阀、调节阀，该管道连接至回收料暂存罐，所述第二出料管道为气相出料管道，管道上设有电动、气动阀门，包括但不限于球阀、蝶阀、调节阀，该管道连接至回收载气储罐。所述第三本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种CVD制备二次电池复合负极材料的系统，包括:固相物料输送计量系统、气相物料和载气供给系统、CVD反应和产品筛分系统、反应后物料处理系统；所述固相物料输送计量系统，包括固相物料储存的主料仓、自动上料机、物料储存箱、定量投料器及惰性密封气，固相物料输送计量系统第一出口定量投料器通过管道与CVD反应和产品筛分系统连通；所述气相物料和载气供给系统，包括惰性气体置换、气相物料和载气混合，气相物料和载气供给系统第一出口载气混合通过管道与CVD反应和产品筛分系统连通；所述CVD反应和产品筛分系统，包括CVD反应器、筛分器、不合格品罐、合格品罐及自动包装机，CVD反应和产品筛分系统第一出口CVD反应器通过管道与反应后物料处理系统连通；所述反应后物料处理系统，包括过滤器、真空机组、真空机组排气缓冲罐、压缩机、冷凝器、气液分离器、回收料暂存罐、回收载气储罐及尾气处理系统；其中，主料仓内部凡与物料接触的表面均喷涂防静电特氟龙，物料储存箱支撑底部设有压力称重传感器，误差不超过0.2%，重量信号接入PLC确保物料储存箱定量进料并实现进出料记录；各个料仓设有气动敲击锤，气动敲击锤按程序设定的频率自动敲击或手动控制，以惰性气体对各料仓进行置换、密封，确保该系统氧含量在0.5%以下；其中，CVD反应器炉尾罩及炉头罩均设置进气口，用于向炉内充入反应气体以适应CVD工艺，所述惰性气体包括但不限于氮气、氩气、氦气，优选氩气、氦气，所述气相物料包括但不限于含硅类的硅烷、甲基硅烷及虽然常温下为液体但可升温气化为气体的三甲基硅烷、甲基三氯硅烷、二氯二氢硅、三氯氢硅、四氯化硅等；含碳类甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烷、丙烯及虽然常温下为液体，但能升温气化为气体的丙酮、苯、乙醇、甲苯；所述混合方法优选为采用静态混合气混合、一种硅类气体通入液态碳类气源挥发携带混合、一种碳类气体通入液态硅类气源挥发携带混合；所述CVD反应器优选滚筒式回转结构由炉管、炉体、加热元件、螺旋进料器、炉管头/尾密封罩、炉管支撑装置、炉管驱动装置、底座CVD反应器升降装置组成，炉管优选锥形设计，用于避免气体在炉管中流动死角的形成；其中，所述物料过滤器上部设有316L丝网除沫装置，并带有冷却夹套、冷却盘管、内置冷却翅片，或上述多种冷却方式组合的罐式过滤器，所述过滤器还设有惰性气体吹扫管道和控制阀、冷凝液排放管道和控制阀、吹扫气排放管道和控制阀，所述排液管道接至回收料暂存罐，所述吹扫气排放管道接至尾气处理装置；所述真空机组优选为由旋片泵或化工泵或罗茨泵中的二种、三种的组合，所述真空机组将信号传输至PLC系统，在PLC系统控制真空机组的启停、监控真空机组的运行状态，所述真空机组还包括相应的电动真空球阀、气动真空球阀、手动真空球阀、电磁单向阀、真空测量仪表、波纹管、真空管路，在真空管路上设有真空气动球阀、KF接口，真空机组前设有单向阀；所述压缩机为隔膜压缩机、无油活塞式压缩机，压缩机带有进排气压力自调节系统，所述压缩机将信号传输至PLC系统，在PLC系统控制压缩机的启停、监控压缩机的运行状态；所述气液分离器带有冷却夹套、内置冷却盘管、翅片；所述气液分离器带有压力、温度、液位传感器及在线气体分析仪，相关信号通过电缆连接传入PLC系统，通过PLC系统实时监测、控制；所述气液分离器至少包括3个出料管道：所述第一出料管道为液相出料管道，管道上设有电动、气动阀门，包括但不限于球阀、蝶阀、调节阀，该管道连接至回收料暂存罐；所
述第二出料管道为气相出料管道，管道上设有电动、气动阀门，包括但不限于球阀、蝶阀、调节阀，该管道连接至回收载气储罐；所述第三出料管道为尾气出料管道，管道上设有电动、气动阀门，包括但不限于球阀、蝶阀、调节阀，该管道连接至尾气处理系统，当在线分析仪分析气相组分中载气纯度低于设定值、杂质组分含量超过设定值时，按照设定的程序自动打开管道上的阀门，出料至尾气处理系统，在线分析仪分析气相组分中载气纯度高于设定值、杂质组分含量低于设定值时阀门关闭，停止向尾气处理系统出料。2.根据权利1所述一种CVD制备二次电池复合负极材料的系统，其特征是：所述CVD反应器主炉管尺寸为
Ø
50～1500
×Ø
52～1550
×
1000～10880mm，缩小段超出主炉管尺寸为
Ø
20～800
×Ø
26～900
×
40～5000mm，且缩小段伸入主炉管部分及锥形炉管位于主炉管内部，与主炉管形成的环形空间填充耐热材料达到隔热效果，耐热材料优选耐热棉板、高纯石墨毡；所述CVD反应器前段布置有螺旋进料器，炉管内部均匀布置导向叶片，导向叶片的设置角度为+36～56
°
、
‑
46～66
°
；所述CVD反应器炉管进料端及出料端均设置有气动敲击锤，具有按设定程序或手动控制敲击功能，敲击装置炉头与炉尾各设置1个或多个，所述CVD反应器的加热部分分段设置n个独立控温区，加热功率独立设置和控制，加热电阻丝材质优选为0Cr27Al7Mo2、0Cr21Al6Nb；CVD沉积室内温区之间用耐热棉板隔开，所述CVD反应器设计温度700～1200℃，工作温度为750～950℃，优选采用智能化温控仪表自动控温，PID自动调整，功率调整应用SCR调节，温控仪控制精度为0.1～0.3%FS，各测温点温差为
±
1～5℃。3.根据权利1所述一种CVD制备二次电池复合负极材料的系统，其特征是：所述CVD反应器进料装置采用螺旋进料方式，包括破碎轴和螺旋推进电机，所述螺旋进料管和叶片优选SUS314S、SUS310S、INCOLOY800H，箱体材料优选SUS316L，厚度3～12mm，螺旋进料管、螺旋轴及导向叶片以外与粉体接触的面优选喷涂特氟龙，厚度15～60μm，当喷涂碳化钨，厚度100～500μm,螺旋进料管内壁及螺旋叶片进行酸洗、抛光；进料螺旋优选不等螺距结构，从后往前螺距逐渐增大，螺旋进料器进料口直接连接加热区，炉管进料端锥形结构及设备整体倾斜角度0～20
°
。4.根据权利1所述一种CVD制备二次电池复合负极材料的系统，其特征是：所述CVD反应器尾部出料口设有卸料阀，下接密闭316L不锈钢筛分器，所述不锈钢筛分器优选采用特制流化床、振动筛，合格物料通过不锈钢筛分器第一出口进入合格品罐，合格品罐采用惰性气体密封，合格品罐和自动包装设备之间设出料阀，阀门优选电动、气动控制的球阀、蝶阀，所述合格品罐中物料达到设定高度时，根据设定的程序出料阀打开，合格物料进入自动包装设备，按照设定的程序、规格进行包装。5.根据权利1所述一种CVD制备二次电池复合负极材料的系统，其特征是：所述CVD反应器炉头罩底部设置废料出料口，并设有卸料阀，所述废料密闭收集进废料箱；所述CVD反应器炉管进出口两端均设置有防尘密封罩，优选密封装置采用轴向压紧式石墨盘密封，防止加热气相或粉尘外溢，所述弹簧套于螺杆上，挤压法兰与密封圈，形成动静摩擦面保证炉室密封；所述CVD反应器炉头罩和炉尾罩壳体材质优选SUS316L不锈钢，炉头罩与物料接触的内表面喷涂特氟龙涂层，所述密封罩配有压力传感器，用于监视密封罩附近炉室压力情况并实现超压报警、安全连锁。6.根据权利1所述一种CVD制备二次电池复合负极材...

【专利技术属性】
技术研发人员：张建军，张潇瀚，马万顺，
申请(专利权)人：河南海川工程设计院有限公司，
类型：发明
国别省市：