[发明专利]一种宏量制备硅纳米材料的方法及装置

说明书

本发明属于纳米材料技术领域，涉及一种宏量制备硅纳米材料的方法，包括如下步骤：将含硅气体和惰性气体输入到等离子体枪中，在等离子体枪内电离及热分解出硅离子和氢离子；使经过电离及热分解打开的硅离子和氢离子进入生长控制器中，重新生成硅纳米线或/和硅纳米颗粒；重新生成的硅纳米线或/和硅纳米颗粒进入冷却容器中，经冷却气体环释放出的冷却气体快速冷却稳定成型。本发明还提供了一种宏量制备硅纳米材料的装置。本发明提供的宏量制备硅纳米材料的方法及装置，实现了硅纳米材料尤其是硅纳米线的工业化制备，大幅度降低了材料制造成本。

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，涉及一种宏量制备硅纳米材料的方法及装置。

背景技术

国家工信部提出，到2020年我国动力电池能量密度需要达到300wh/kg，争取达到350wh/kg，2022年目标400wh/kg，同时制造成本低于1元人民币每瓦，因此给高容量锂离子电池材料带来跳战，要具备首次库伦效率高，比容量高，循环性能好和制造成本低要求。

目前国内特别晶体硅纳米应用于锂离子电池材料还存在诸多问题，同时满足以上四合一要求(即硅锂离子电池负极材料工业化运用的四个条件：首次放电比容量高，首次库伦效率高，循环性能高以及工业化成本低)的高品质硅碳负极材料还是严重困扰锂离子电池材料产业，高品质硅碳负极材料至今日我国锂电池企业还是依赖从发达国家日本等国进口来解决，严重对我国大力发展新能源汽车产业，采用弯道超车来改变我国相对落后的现状传统汽车工业的产业规划受阻。另外，无法有效宏量制备纳米材料也是严重困扰这一行业的技术问题。

为了实现宏量制备纳米材料，气相法是最有发展前景的一种方法。中国发明专利申请CN108101061A公开了一种纳米硅粉的制备方法，包括如下步骤： (1)向等离子发生器中引入硅烷，经电离分解，重新成核得到纳米硅颗粒；(2)纳米硅颗粒经过气固分离和冷却后，得到纳米硅粉；上述各步骤均在氮气环境下进行。其不足之处在于，氮气环境下进行硅烷的电离，电离出的硅离子、氢离子和氮离子还会经过等离子弧区域，其温度高达6000℃-18000℃，在此特高温环境下，硅离子和氢离子又处于离子状态，硅离子会和氮离子进行反应，生成氮化硅。即便是纳米硅或亚微米硅，在1250℃以上也会和氮离子发生氮化反应生产氮化硅，进而无法实现发明目的。

中国发明专利CN101559946B公开了一种利用等离子体制备硅纳米颗粒的方法及装置，包括将含有含硅气源和惰性气体的混合气体输入到等离子体腔中，在真空条件下，激发等离子体腔中的气体，使含硅气源转化形成硅纳米颗粒，硅纳米颗粒被气流携带出等离子体腔后通过收集器收集。本发明方法可以在硅纳米颗粒的制备过程中使用高功率的等离子体，同时尽量避免了硅纳米颗粒在等离子体腔体内壁上的沉积和改善了在气相中对硅纳米颗粒的收集。该专利的硅纳米颗粒在等离子体腔中完成，无法形成多样化的硅纳米形态。而且，采用交流电源感应等离子体枪(微波、射频)，其产能无法保证，实施例中的产量仅为100g-160g/h，无法实现宏量制备。

斯坦福大学于《自然—纳米技术》(Nature Nanotechnology)， doi:10.1038/nnano.2007.411，Candace K.Chan，Yi Cui中公开了一种硅纳米线，理论上可以使电池的储电量提高10倍。硅纳米线材料与硅纳米颗粒材料在同等中值径d50尺寸情况下，硅纳米线其比表面积小，采用同等的无定型碳数量包覆材料的状况下其碳包覆层厚度大大增厚，对于硅纳米线材料应用在锂离子电池充电嵌锂过程因晶体硅高的膨胀力(350％)造成电极极片粉碎形成有效的束缚，同时膨胀力随线方向发力也至关重要，实现真实意义工业化的高品质低成本的硅碳负极材料。