一种氧化亚硅负极材料的制备装置及其制备方法与流程

1.本发明属于负极材料技术领域，涉及一种氧化亚硅负极材料的制备装置，尤其涉及一种氧化亚硅负极材料的制备装置及其制备方法。


背景技术：

2.随着消费电子和电动汽车的快速发展，锂离子电池技术得到了长足的发展。高比能锂离子电池是发展的重点，作为锂离子电池中决定能量密度之一的负极材料，目前商业化负极材料主要是人造/天然石墨，然而，石墨的理论比容量为372mah/g，已经不能满足高能量密度电池的需要。硅负极材料的理论比容量为4200mah/g，是石墨负极的10倍以上，且不存在析锂隐患，安全性好于石墨类负极材料，且储量丰富，成本低廉，是最具潜力的下一代锂电池负极材料。但是硅在充放电过程中存在巨大的体积变化，且电子导电能力极差，严重影响了硅基负极的循环性能和大电流充放电能力。
3.硅基材料作为当前有很大潜力的锂离子电池负极材料，其主要优点表现在比容量大，其中硅单质材料的理论比容量达到了4200mah/g，氧化亚硅材料的理论比容量也达到了2100mah/g，远大于碳素负极材料。但是，现有技术中常关注在氧化亚硅基础上的包覆改性，从产业化角度尚无对氧化亚硅负极材料的标准化制备工艺的报道。
4.cn114824241a公开了一种用于对氧化亚硅负极材料进行液相预锂化处理的装置及方法，该装置包括用于将锂源溶于有机溶剂的溶剂釜、用于将氧化亚硅负极材料和锂源进行混合的混料釜以及用于回收有机溶剂的溶剂回收釜；利用该装置对氧化亚硅负极材料进行液相预锂化处理，能够有效解决液相法预处理过程中因有机溶剂挥发导致的安全隐患问题，且能够实现有机溶剂的回收再利用，能够显著降低生产成本，具有良好的经济效益和工业化应用前景。但是，该用于对氧化亚硅负极材料进行液相预锂化处理的装置仅能用于氧化亚硅负极材料的预锂，无法实现氧化亚硅负极材料的标准化制备。
5.现有技术中氧化亚硅负极材料的制备装置都有一定的缺陷，存在着无法实现氧化亚硅负极材料的标准化制备的问题。因此，开发设计一种新型的氧化亚硅负极材料的制备装置及其制备方法至关重要。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种氧化亚硅负极材料的制备装置及其制备方法，本发明提供的氧化亚硅负极材料的制备装置基于真空加热组件与加热沉积组件中进行的高温真空蒸镀、粉碎筛分组件中进行的粉碎筛分、碳包覆加热组件中进行的化学气相沉积与预锂组件中进行的气相预锂，制备得到了具有优良性能的氧化亚硅负极材料，通过所述制备装置能够形成氧化亚硅负极材料制备的工艺系统解决方案。
7.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
8.第一方面，本发明提供了一种氧化亚硅负极材料的制备装置，所述制备装置包括沿物料流向依次连接的真空加热组件、加热沉积组件、粉碎筛分组件、碳包覆加热组件与预
锂组件；
9.所述真空加热组件的加热温度高于所述加热沉积组件的加热温度。
10.本发明提供的制备装置兼顾了各工艺段之间的衔接和匹配，可以更好地实现材料在工艺段之间的传输，提高工艺效率和生产力，降低材料损耗，延长各工艺段装备的使用时间，降低全周期使用寿命成本。
11.本发明提供的氧化亚硅负极材料的制备装置基于真空加热组件与加热沉积组件中进行的高温真空蒸镀、粉碎筛分组件中进行的粉碎筛分、碳包覆加热组件中进行的化学气相沉积与预锂组件中进行的气相预锂，制备得到了具有优良性能的氧化亚硅负极材料，通过所述制备装置能够形成氧化亚硅负极材料制备的工艺系统解决方案。
12.优选地，所述制备装置还包括沿物料流向设置于所述真空加热组件之前的料仓。
13.优选地，所述料仓与所述真空加热组件之间的连接管道上设置有第一阀门。
14.优选地，所述真空加热组件包括真空反应室及设置于所述真空反应室外周的第一加热炉。
15.优选地，所述制备装置还包括沿物料流向设置于所述真空加热组件与所述加热沉积组件之间的输送器。
16.优选地，所述加热沉积组件包括沉积反应室及设置于所述沉积反应室外周的第二加热炉。
17.优选地，所述第一加热炉的加热温度高于所述第二加热炉的加热温度。
18.优选地，所述加热沉积组件与粉碎筛分组件之间的连接管道上设置有第二阀门。
19.优选地，所述粉碎筛分组件包括相互连接的粉碎器与筛分器，所述粉碎器与所述加热沉积组件连接，所述筛分器与所述包覆加热组件连接。
20.优选地，所述粉碎器上设置有粉碎器出口、第一入口与第二入口，所述筛分器上设置有筛分器入口、第一出口与第二出口。
21.所述粉碎器出口与所述筛分器入口连通，所述第一入口与所述加热沉积组件的出口连通，所述第一出口与所述包覆加热组件的入口连通，所述第二入口与所述第二出口连通。
22.优选地，所述粉碎器包括气流粉碎器。
23.优选地，所述粉碎筛分组件与所述包覆加热组件之间的连接管道上设置有第三阀门。
24.优选地，所述碳包覆加热组件包括碳包覆反应室及设置于所述碳包覆反应室外周的第三加热炉。
25.优选地，所述碳包覆反应室包括流化床包覆反应室。
26.本发明中的流化床包覆反应室具有如下优点：(1)气固充分混合，两相间传热传质系数高，可缩短时间，提高设备的生产能力；(2)设备生产强度大，可连续操作；(3)固体颗粒流态化之后具有流体的特性，故操作方便，易控制，可减轻一定的劳动强度；(4)设备简单，易于维修和制造；(5)操作安全性好。
27.优选地，所述流化床包覆反应室为立式流化床。
28.本发明中通过在立式流化床中完成碳包覆，能够连续生产出高性能硅负极材料，同时缩短了生产周期；本发明采用的流化床化学气相沉积法，其高传热传质特性有利于提
高反应效率，充分反应，气体分子扩散进入原料颗粒气孔、缺陷及裂缝，沉积形成有效的填埋包覆结构。
29.优选地，所述流化床包覆反应室的底部设置有流化气体进气管与碳源气体进气管。
30.优选地，所述流化气体进气管与碳源气体进气管上均设置有流量控制阀。
31.优选地，所述碳包覆反应室上连接有尾气收集器。
32.优选地，所述碳包覆加热组件与所述预锂组件之间的连接管道上设置有第四阀门。
33.优选地，所述预锂组件包括预锂反应室及设置于所述预锂反应室外周的第四加热炉。
34.优选地，所述制备装置还包括沿物料流向设置于所述预锂组件之后的产品收集器。
35.第二方面，本发明提供了一种采用第一方面所述制备装置的制备方法，所述制备方法包括：
36.氧化亚硅原料在真空加热组件中进行真空加热形成蒸汽后，所得蒸汽进入加热沉积组件中经加热沉积得到块状氧化亚硅，块状氧化亚硅进入粉碎筛分组件中进行至少一次的粉碎筛分处理后，进入包覆加热组件中经流态化处理与碳包覆处理后得到粉体颗粒，所得粉体颗粒进入预锂组件中经过预锂处理，得到氧化亚硅负极材料。
37.本发明所述制备方法实现了氧化亚硅的块状生产、粉碎筛分、碳包覆和预锂处理的连贯进行，缩短了硅负极材料的制备周期，所述制备方法的制备工艺简单，可操作性强，安全可靠，环境友好，成本低廉；所述制备方法制得的氧化亚硅负极材料具有高首次库伦效率、高循环比容量和高循环稳定性等性能优点。
38.作为本发明所述制备方法的优选技术方案，所述制备方法包括以下步骤：
39.(1)打开第一阀门，关闭第二阀门、第三阀门与第四阀门，料仓中的氧化亚硅原料进入真空反应室中，关闭第一阀门后，对真空反应室进行抽真空处理，打开第一加热炉使真空反应室内的温度达到第一设定温度并保温，打开第二加热炉使沉积反应室内的温度达到第二设定温度并保温，打开第三加热炉使碳包覆反应室内的温度达到第三设定温度并保温，打开第四加热炉使预锂反应室内的温度达到第四设定温度并保温，氧化亚硅原料在真空反应室中进行真空加热形成蒸汽；
40.(2)步骤(1)所得蒸汽经过输送器输送至沉积反应室，在沉积反应室内进行加热沉积后得到块状氧化亚硅；
41.(3)打开第二阀门，步骤(2)所得块状氧化亚硅进入气流粉碎器后，关闭第二阀门，块状氧化亚硅在气流粉碎器中经过粉碎处理后进入筛分器，经过筛分器进行筛分后，粗颗粒进入气流粉碎器进行二次粉碎处理后进入筛分器，筛分后得到具有设定粒度的粉末氧化亚硅；
42.(4)打开第三阀门，步骤(3)所得粉末氧化亚硅进入流化床包覆反应室，关闭第三阀门后，向流化床包覆反应室内通入流化气体使粉末氧化亚硅进行流态化处理，并通入碳源气体进行碳包覆处理后得到粉体颗粒，产生的尾气进入尾气收集器中；
43.(5)打开第四阀门，步骤(4)所得粉体颗粒进入预锂反应室，经过预锂处理得到的
氧化亚硅负极材料进入产品收集器。
44.优选地，所述抽真空处理后真空反应室内的真空度为0.01～100pa，例如可以是0.01pa、0.05pa、0.1pa、0.5pa、1pa、5pa、10pa、50pa或100pa，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
45.优选地，步骤(1)所述第一设定温度为1100～1600℃，例如可以是1100℃、1150℃、1200℃、1250℃、1300℃、1350℃、1400℃、1450℃、1500℃、1550℃或1600℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
46.优选地，步骤(1)所述第二设定温度为500～900℃，例如可以是500℃、600℃、700℃、800℃或900℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
47.优选地，步骤(1)所述第三设定温度为600～1000℃，例如可以是600℃、700℃、800℃、900℃或1000℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
48.优选地，步骤(1)所述第四设定温度为500～900℃，例如可以是500℃、600℃、700℃、800℃或900℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
49.优选地，步骤(1)所述真空加热的时间为4～24h，例如可以是4h、6h、8h、10h、12h、14h、16h、18h、20h、22h或24h，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
50.优选地，步骤(2)所述加热沉积的时间为2～8h，例如可以是2h、3h、4h、5h、6h、7h或8h，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
51.优选地，步骤(3)所述设定粒度为1～20μm，例如可以是1μm、3μm、5μm、7μm、9μm、10μm、12μm、14μm、16μm、18μm或20μm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
52.优选地，步骤(4)所述流态化处理与所述碳包覆处理的总时间为0.5～2h，例如可以是0.5h、0.7h、0.9h、1h、1.2h、1.4h、1.6h、1.8h或2h，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
53.优选地，步骤(4)所述流化气体包括氮气和/或氩气。
54.优选地，步骤(4)所述碳源气体包括甲烷、乙烯、乙炔或丙烯中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括甲烷与乙烯的组合，乙烯与乙炔的组合，乙炔与丙烯的组合，或甲烷、乙烯与乙炔的组合。
55.优选地，步骤(4)所述碳源气体占碳源气体和流化气体总体积的5～30％，例如可以是5％、7％、9％、10％、15％、20％、25％或30％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
56.优选地，步骤(4)所述流化气体与所述碳源气体通入的总气速为0.1～2m/s，例如可以是0.1m/s、0.2m/s、0.3m/s、0.5m/s、1m/s、1.5m/s或2m/s，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
57.优选地，步骤(5)所述预锂处理的时间为1～5h，例如可以是1h、2h、3h、4h或5h，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
58.优选地，步骤(5)所述预锂处理包括将锂源蒸汽化后在步骤(4)所得粉体颗粒表面进行锂化反应。
59.本发明所述预锂处理为气相预锂，通过将锂源蒸汽化后在氧化亚硅表面发生锂化反应，可以高效提高首次库伦效率，相比于现有机械混合的预锂技术，气相预锂具有可以减少昂贵预锂剂用量降低成本，均匀高效预锂，进一步改善首次库伦效率的优势。
60.优选地，所述锂源包括碳酸锂、氢氧化锂或氧化锂中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括碳酸锂与氢氧化锂的组合，氢氧化锂与氧化锂的组合，或碳酸锂、氢氧化锂与氧化锂的组合。
61.相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
62.(1)本发明提供的氧化亚硅负极材料的制备装置基于真空加热组件与加热沉积组件中进行的高温真空蒸镀、粉碎筛分组件中进行的粉碎筛分、碳包覆加热组件中进行的化学气相沉积与预锂组件中进行的气相预锂，制备得到了具有优良性能的氧化亚硅负极材料，通过所述制备装置能够形成氧化亚硅负极材料制备的工艺系统解决方案；
63.(2)本发明所述制备方法实现了氧化亚硅的块状生产、粉碎筛分、碳包覆和预锂处理的连贯进行，缩短了硅负极材料的制备周期，所述制备方法的制备工艺简单，可操作性强，安全可靠，环境友好，成本低廉；所述制备方法制得的氧化亚硅负极材料具有高首次库伦效率、高循环比容量和高循环稳定性等性能优点。
附图说明
64.图1为本发明一个具体实施方式中氧化亚硅负极材料的制备装置的结构示意图。
65.其中，1-料仓；2-第一阀门；3-第一加热炉；4-真空反应室；5-输送器；6-第二加热炉；7-沉积反应室；8-第二阀门；9-气流粉碎器；10-筛分器；11-第三阀门；12-第三加热炉；13-流化床包覆反应室；14-尾气收集器；15-第四阀门；16-第四加热炉；17-预锂反应室；18-产品收集器。
具体实施方式
66.需要理解的是，在本发明的描述中，术语“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
67.需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
68.本领域技术人员理应了解的是，本发明中必然包括用于实现工艺完整的必要管
线、常规阀门和通用泵设备，但以上内容不属于本发明的主要创新点，本领域技术人员可以基于工艺流程和设备结构选型可以自行增设布局，本发明对此不做特殊要求和具体限定。
69.下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
70.在一个具体实施方式中，如图1所示，本发明提供了一种氧化亚硅负极材料的制备装置，所述制备装置包括沿物料流向依次连接的真空加热组件、加热沉积组件、粉碎筛分组件、碳包覆加热组件与预锂组件；
71.所述真空加热组件的加热温度高于所述加热沉积组件的加热温度。
72.本发明提供的制备装置兼顾了各工艺段之间的衔接和匹配，可以更好地实现材料在工艺段之间的传输，提高工艺效率和生产力，降低材料损耗，延长各工艺段装备的使用时间，降低全周期使用寿命成本。
73.本发明提供的氧化亚硅负极材料的制备装置基于真空加热组件与加热沉积组件中进行的高温真空蒸镀、粉碎筛分组件中进行的粉碎筛分、碳包覆加热组件中进行的化学气相沉积与预锂组件中进行的气相预锂，制备得到了具有优良性能的氧化亚硅负极材料，通过所述制备装置能够形成氧化亚硅负极材料制备的工艺系统解决方案。
74.进一步地，所述制备装置还包括沿物料流向设置于所述真空加热组件之前的料仓1。
75.进一步地，所述料仓1与所述真空加热组件之间的连接管道上设置有第一阀门2。
76.进一步地，所述真空加热组件包括真空反应室4及设置于所述真空反应室4外周的第一加热炉3。
77.进一步地，所述制备装置还包括沿物料流向设置于所述真空加热组件与所述加热沉积组件之间的输送器5。
78.进一步地，所述加热沉积组件包括沉积反应室7及设置于所述沉积反应室7外周的第二加热炉6。
79.进一步地，所述第一加热炉3的加热温度高于所述第二加热炉6的加热温度。
80.进一步地，所述加热沉积组件与粉碎筛分组件之间的连接管道上设置有第二阀门8。
81.进一步地，所述粉碎筛分组件包括相互连接的粉碎器与筛分器10，所述粉碎器与所述加热沉积组件连接，所述筛分器10与所述包覆加热组件连接。
82.进一步地，所述粉碎器上设置有粉碎器出口、第一入口与第二入口，所述筛分器10上设置有筛分器10入口、第一出口与第二出口。
83.所述粉碎器出口与所述筛分器10入口连通，所述第一入口与所述加热沉积组件的出口连通，所述第一出口与所述包覆加热组件的入口连通，所述第二入口与所述第二出口连通。
84.进一步地，所述粉碎器包括气流粉碎器9。
85.进一步地，所述粉碎筛分组件与所述包覆加热组件之间的连接管道上设置有第三阀门11。
86.进一步地，所述碳包覆加热组件包括碳包覆反应室及设置于所述碳包覆反应室外周的第三加热炉12。
87.进一步地，所述碳包覆反应室包括流化床包覆反应室13。
88.本发明中的流化床包覆反应室13具有如下优点：(1)气固充分混合，两相间传热传质系数高，可缩短时间，提高设备的生产能力；(2)设备生产强度大，可连续操作；(3)固体颗粒流态化之后具有流体的特性，故操作方便，易控制，可减轻一定的劳动强度；(4)设备简单，易于维修和制造；(5)操作安全性好。
89.进一步地，所述流化床包覆反应室13为立式流化床。
90.本发明中通过在立式流化床中完成碳包覆，能够连续生产出高性能硅负极材料，同时缩短了生产周期；本发明采用的流化床化学气相沉积法，其高传热传质特性有利于提高反应效率，充分反应，气体分子扩散进入原料颗粒气孔、缺陷及裂缝，沉积形成有效的填埋包覆结构。
91.进一步地，所述流化床包覆反应室13的底部设置有流化气体进气管与碳源气体进气管。
92.进一步地，所述流化气体进气管与碳源气体进气管上均设置有流量控制阀。
93.进一步地，所述碳包覆反应室上连接有尾气收集器14。
94.进一步地，所述碳包覆加热组件与所述预锂组件之间的连接管道上设置有第四阀门15。
95.进一步地，所述预锂组件包括预锂反应室17及设置于所述预锂反应室17外周的第四加热炉16。
96.进一步地，所述制备装置还包括沿物料流向设置于所述预锂组件之后的产品收集器18。
97.实施例1
98.本实施例提供了一种上述制备装置的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
99.(1)打开第一阀门2，关闭第二阀门8、第三阀门11与第四阀门15，料仓1中的氧化亚硅原料进入真空反应室4中，关闭第一阀门2后，对真空反应室4进行抽真空处理至真空反应室4内的真空度为10pa，打开第一加热炉3使真空反应室4内的温度达到1400℃并保温，打开第二加热炉6使沉积反应室7内的温度达到600℃并保温，打开第三加热炉12使碳包覆反应室内的温度达到800℃并保温，打开第四加热炉16使预锂反应室17内的温度达到600℃并保温，氧化亚硅原料在真空反应室4中进行10h的真空加热形成蒸汽；
100.(2)步骤(1)所得蒸汽经过输送器5输送至沉积反应室7，在沉积反应室7内进行4h的加热沉积后得到块状氧化亚硅；
101.(3)打开第二阀门8，步骤(2)所得块状氧化亚硅进入气流粉碎器9后，关闭第二阀门8，块状氧化亚硅在气流粉碎器9中经过粉碎处理后进入筛分器10，经过筛分器10进行筛分后，粗颗粒进入气流粉碎器9进行二次粉碎处理后进入筛分器10，筛分后得到粒度为5μm的粉末氧化亚硅；
102.(4)打开第三阀门11，步骤(3)所得粉末氧化亚硅进入流化床包覆反应室13，关闭第三阀门11后，向流化床包覆反应室13内通入氮气使粉末氧化亚硅进行流态化处理，并通入乙炔进行碳包覆处理后得到粉体颗粒，氮气与乙炔通入的总气速为1m/s，乙炔占乙炔和氮气总体积的10％，流态化处理与所述碳包覆处理的总时间为1h，产生的尾气进入尾气收集器14中；
103.(5)打开第四阀门15，步骤(4)所得粉体颗粒进入预锂反应室17，将氢氧化锂蒸汽化后在步骤(4)所得粉体颗粒表面进行2h的锂化反应，得到的氧化亚硅负极材料进入产品收集器18。
104.实施例2
105.本实施例提供了一种上述制备装置的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
106.(1)打开第一阀门2，关闭第二阀门8、第三阀门11与第四阀门15，料仓1中的氧化亚硅原料进入真空反应室4中，关闭第一阀门2后，对真空反应室4进行抽真空处理至真空反应室4内的真空度为100pa，打开第一加热炉3使真空反应室4内的温度达到1600℃并保温，打开第二加热炉6使沉积反应室7内的温度达到900℃并保温，打开第三加热炉12使碳包覆反应室内的温度达到1000℃并保温，打开第四加热炉16使预锂反应室17内的温度达到900℃并保温，氧化亚硅原料在真空反应室4中进行24h的真空加热形成蒸汽；
107.(2)步骤(1)所得蒸汽经过输送器5输送至沉积反应室7，在沉积反应室7内进行8h的加热沉积后得到块状氧化亚硅；
108.(3)打开第二阀门8，步骤(2)所得块状氧化亚硅进入气流粉碎器9后，关闭第二阀门8，块状氧化亚硅在气流粉碎器9中经过粉碎处理后进入筛分器10，经过筛分器10进行筛分后，粗颗粒进入气流粉碎器9进行二次粉碎处理后进入筛分器10，筛分后得到粒度为5μm的粉末氧化亚硅；
109.(4)打开第三阀门11，步骤(3)所得粉末氧化亚硅进入流化床包覆反应室13，关闭第三阀门11后，向流化床包覆反应室13内通入氮气使粉末氧化亚硅进行流态化处理，并通入乙炔进行碳包覆处理后得到粉体颗粒，氮气与乙炔通入的总气速为1m/s，乙炔占乙炔和氮气总体积的10％，流态化处理与所述碳包覆处理的总时间为1h，产生的尾气进入尾气收集器14中；
110.(5)打开第四阀门15，步骤(4)所得粉体颗粒进入预锂反应室17，将氢氧化锂蒸汽化后在步骤(4)所得粉体颗粒表面进行5h的锂化反应，得到的氧化亚硅负极材料进入产品收集器18。
111.实施例3
112.本实施例提供了一种上述制备装置的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
113.(1)打开第一阀门2，关闭第二阀门8、第三阀门11与第四阀门15，料仓1中的氧化亚硅原料进入真空反应室4中，关闭第一阀门2后，对真空反应室4进行抽真空处理至真空反应室4内的真空度为0.01pa，打开第一加热炉3使真空反应室4内的温度达到1100℃并保温，打开第二加热炉6使沉积反应室7内的温度达到500℃并保温，打开第三加热炉12使碳包覆反应室内的温度达到600℃并保温，打开第四加热炉16使预锂反应室17内的温度达到500℃并保温，氧化亚硅原料在真空反应室4中进行4h的真空加热形成蒸汽；
114.(2)步骤(1)所得蒸汽经过输送器5输送至沉积反应室7，在沉积反应室7内进行2h的加热沉积后得到块状氧化亚硅；
115.(3)打开第二阀门8，步骤(2)所得块状氧化亚硅进入气流粉碎器9后，关闭第二阀门8，块状氧化亚硅在气流粉碎器9中经过粉碎处理后进入筛分器10，经过筛分器10进行筛分后，粗颗粒进入气流粉碎器9进行二次粉碎处理后进入筛分器10，筛分后得到粒度为5μm的粉末氧化亚硅；
116.(4)打开第三阀门11，步骤(3)所得粉末氧化亚硅进入流化床包覆反应室13，关闭第三阀门11后，向流化床包覆反应室13内通入氮气使粉末氧化亚硅进行流态化处理，并通入乙炔进行碳包覆处理后得到粉体颗粒，氮气与乙炔通入的总气速为1m/s，乙炔占乙炔和氮气总体积的10％，流态化处理与所述碳包覆处理的总时间为1h，产生的尾气进入尾气收集器14中；
117.(5)打开第四阀门15，步骤(4)所得粉体颗粒进入预锂反应室17，将氢氧化锂蒸汽化后在步骤(4)所得粉体颗粒表面进行1h的锂化反应，得到的氧化亚硅负极材料进入产品收集器18。
118.实施例4
119.本实施例提供了一种上述制备装置的制备方法，除将步骤(4)中的流化床包覆反应室13替换为固定床反应器，即在固定床反应器中进行碳包覆外，其余均与实施例1相同。
120.将实施例1～4中的制备方法制备得到的氧化亚硅负极材料作为负极材料，选用三元镍钴锰酸锂正极材料及配套的电解液，来组装成电池，采用gb/t24533-2009中的测试方法测定组装得到的电池的电化学性能，电化学性能包括首次放电比容量、首次库伦效率与百圈容量保持率，测试结果如表1所示。
121.表1
[0122] 首次放电比容量mahg-1
首次库伦效率％百圈容量保持率％实施例115809495实施例215108893实施例314808593实施例412006760
[0123]
由表1可得：
[0124]
(1)采用本发明提供的制备装置的制备方法来制备氧化亚硅负极材料，具有生产所用时间短，产率高，能够连续运行的优点，且制备得到的氧化亚硅负极材料组装得到的电池具有较高的首次放电比容量、较高的首次库伦效率和较高的百圈容量保持率；
[0125]
(2)通过实施例1与实施例4的对比可知，采用本发明提供的制备装置以及制备方法制备得到的氧化亚硅负极材料来制备电池，所得电池具有优异的电化学性能；然而实施例4中采用固定床进行包覆时，由于粉体无法实现流化及在反应器的内部流动，包覆不成功，以实施例4所得氧化亚硅负极材料来制备电池所得电池的电化学性能较差。
[0126]
综上所述，本发明提供的氧化亚硅负极材料的制备装置基于真空加热组件与加热沉积组件中进行的高温真空蒸镀、粉碎筛分组件中进行的粉碎筛分、碳包覆加热组件中进行的化学气相沉积与预锂组件中进行的气相预锂，制备得到了具有优良性能的氧化亚硅负极材料，通过所述制备装置能够形成氧化亚硅负极材料制备的工艺系统解决方案；本发明所述制备方法实现了氧化亚硅的块状生产、粉碎筛分、碳包覆和预锂处理的连贯进行，缩短了硅负极材料的制备周期，所述制备方法的制备工艺简单，可操作性强，安全可靠，环境友好，成本低廉；所述制备方法制得的氧化亚硅负极材料具有高首次库伦效率、高循环比容量和高循环稳定性等性能优点。
[0127]
以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围
内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

技术特征：
1.一种氧化亚硅负极材料的制备装置，其特征在于，所述制备装置包括沿物料流向依次连接的真空加热组件、加热沉积组件、粉碎筛分组件、碳包覆加热组件与预锂组件；所述真空加热组件的加热温度高于所述加热沉积组件的加热温度。2.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述制备装置还包括沿物料流向设置于所述真空加热组件之前的料仓；优选地，所述料仓与所述真空加热组件之间的连接管道上设置有第一阀门。3.根据权利要求1或2所述的制备装置，其特征在于，所述真空加热组件包括真空反应室及设置于所述真空反应室外周的第一加热炉；优选地，所述制备装置还包括沿物料流向设置于所述真空加热组件与所述加热沉积组件之间的输送器。4.根据权利要求3所述的制备装置，其特征在于，所述加热沉积组件包括沉积反应室及设置于所述沉积反应室外周的第二加热炉；优选地，所述第一加热炉的加热温度高于所述第二加热炉的加热温度；优选地，所述加热沉积组件与粉碎筛分组件之间的连接管道上设置有第二阀门。5.根据权利要求1～4任一项所述的制备装置，其特征在于，所述粉碎筛分组件包括相互连接的粉碎器与筛分器，所述粉碎器与所述加热沉积组件连接，所述筛分器与所述包覆加热组件连接；优选地，所述粉碎器上设置有粉碎器出口、第一入口与第二入口，所述筛分器上设置有筛分器入口、第一出口与第二出口；所述粉碎器出口与所述筛分器入口连通，所述第一入口与所述加热沉积组件的出口连通，所述第一出口与所述包覆加热组件的入口连通，所述第二入口与所述第二出口连通；优选地，所述粉碎器包括气流粉碎器；优选地，所述粉碎筛分组件与所述包覆加热组件之间的连接管道上设置有第三阀门。6.根据权利要求1～5任一项所述的制备装置，其特征在于，所述碳包覆加热组件包括碳包覆反应室及设置于所述碳包覆反应室外周的第三加热炉；优选地，所述碳包覆反应室包括流化床包覆反应室；优选地，所述流化床包覆反应室为立式流化床；优选地，所述流化床包覆反应室的底部设置有流化气体进气管与碳源气体进气管；优选地，所述流化气体进气管与碳源气体进气管上均设置有流量控制阀；优选地，所述碳包覆反应室上连接有尾气收集器；优选地，所述碳包覆加热组件与所述预锂组件之间的连接管道上设置有第四阀门。7.根据权利要求1～6任一项所述的制备装置，其特征在于，所述预锂组件包括预锂反应室及设置于所述预锂反应室外周的第四加热炉；优选地，所述制备装置还包括沿物料流向设置于所述预锂组件之后的产品收集器。8.一种采用权利要求1～7任一项所述制备装置的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：氧化亚硅原料在真空加热组件中进行真空加热形成蒸汽后，所得蒸汽进入加热沉积组件中经加热沉积得到块状氧化亚硅，块状氧化亚硅进入粉碎筛分组件中进行至少一次的粉碎筛分处理后，进入包覆加热组件中经流态化处理与碳包覆处理后得到粉体颗粒，所得粉
体颗粒进入预锂组件中经过预锂处理，得到氧化亚硅负极材料。9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：(1)打开第一阀门，关闭第二阀门、第三阀门与第四阀门，料仓中的氧化亚硅原料进入真空反应室中，关闭第一阀门后，对真空反应室进行抽真空处理，打开第一加热炉使真空反应室内的温度达到第一设定温度并保温，打开第二加热炉使沉积反应室内的温度达到第二设定温度并保温，打开第三加热炉使碳包覆反应室内的温度达到第三设定温度并保温，打开第四加热炉使预锂反应室内的温度达到第四设定温度并保温，氧化亚硅原料在真空反应室中进行真空加热形成蒸汽；(2)步骤(1)所得蒸汽经过输送器输送至沉积反应室，在沉积反应室内进行加热沉积后得到块状氧化亚硅；(3)打开第二阀门，步骤(2)所得块状氧化亚硅进入气流粉碎器后，关闭第二阀门，块状氧化亚硅在气流粉碎器中经过粉碎处理后进入筛分器，经过筛分器进行筛分后，粗颗粒进入气流粉碎器进行二次粉碎处理后进入筛分器，筛分后得到具有设定粒度的粉末氧化亚硅；(4)打开第三阀门，步骤(3)所得粉末氧化亚硅进入流化床包覆反应室，关闭第三阀门后，向流化床包覆反应室内通入流化气体使粉末氧化亚硅进行流态化处理，并通入碳源气体进行碳包覆处理后得到粉体颗粒，产生的尾气进入尾气收集器中；(5)打开第四阀门，步骤(4)所得粉体颗粒进入预锂反应室，经过预锂处理得到的氧化亚硅负极材料进入产品收集器。10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述抽真空处理后真空反应室内的真空度为0.01～100pa；优选地，步骤(1)所述第一设定温度为1100～1600℃；优选地，步骤(1)所述第二设定温度为500～900℃；优选地，步骤(1)所述第三设定温度为600～1000℃；优选地，步骤(1)所述第四设定温度为500～900℃；优选地，步骤(1)所述真空加热的时间为4～24h；优选地，步骤(2)所述加热沉积的时间为2～8h；优选地，步骤(3)所述设定粒度为1～20μm；优选地，步骤(4)所述流态化处理与所述碳包覆处理的总时间为0.5～2h；优选地，步骤(4)所述流化气体包括氮气和/或氩气；优选地，步骤(4)所述碳源气体包括甲烷、乙烯、乙炔或丙烯中的任意一种或至少两种的组合；优选地，步骤(4)所述碳源气体占碳源气体和流化气体总体积的5～30％；优选地，步骤(4)所述流化气体与所述碳源气体通入的总气速为0.1～2m/s；优选地，步骤(5)所述预锂处理的时间为1～5h；优选地，步骤(5)所述预锂处理包括将锂源蒸汽化后在步骤(4)所得粉体颗粒表面进行锂化反应；优选地，所述锂源包括碳酸锂、氢氧化锂或氧化锂中的任意一种或至少两种的组合。

技术总结
本发明提供了一种氧化亚硅负极材料的制备装置及其制备方法，所述制备装置包括沿物料流向依次连接的真空加热组件、加热沉积组件、粉碎筛分组件、碳包覆加热组件与预锂组件；所述真空加热组件的加热温度高于所述加热沉积组件的加热温度。本发明提供的氧化亚硅负极材料的制备装置基于真空加热组件与加热沉积组件中进行的高温真空蒸镀、粉碎筛分组件中进行的粉碎筛分、碳包覆加热组件中进行的化学气相沉积与预锂组件中进行的气相预锂，制备得到了具有优良性能的氧化亚硅负极材料，通过所述制备装置能够形成氧化亚硅负极材料制备的工艺系统解决方案。系统解决方案。系统解决方案。


技术研发人员：吕鹏鹏
受保护的技术使用者：吕鹏鹏
技术研发日：2023.05.11
技术公布日：2023/8/9