[发明专利]用于形成粒子和用于回收电化学反应性材料的方法和装置

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求通过引用由此结合在此的指定张卫军(Wei-Jun Zhang)作为发明人，2010年5月3日提交的美国临时专利申请号61/343,696，名称为“通过电化学颗粒细化方法制备的细粒化材料(Fine Grained Materials Prepared by Electrochemically Grain Refinement Process)”的权益和优先权。

背景

每年，归因于电子产品(例如，消费电子产品、光伏电池、半导体等)、电池、催化转化器以及工业废屑的制造和处置在全世界范围内产生数百吨的工业废料。当前从工业废料再循环和回收材料的方法基于依赖于强腐蚀性和/或有毒的碱或酸(例如，以溶解一种或多种目标材料)的方法。例如，使用氢氟酸、硝酸、六氟硅酸或氢氧化钠的方法在本领域中是已知的。使用这些类型的化学品的方法是昂贵的、环境不友好的并且是潜在危险的。作为结果，每年仅将小百分比的工业废料再循环。

微米和纳米粒子的使用变得具有增加的重要性，这归因于这些材料的独特性质，如它们的物理机械、化学和/或生物性质。例如，与相同组成的疏松材料比较，微米和纳米粒子可以具有增强的屈服强度和展延性，这归因于它们细化的颗粒尺寸(例如，少于约100纳米)。具有这些性质的材料可以在医学、化学、能源(energy)、和/或运输部门中使用。本领域中已知很多制备微米和纳米粒化材料的方法，如化学或物理气相沉积、苛刻塑性变形、迅速固化、以及湿法化学方法。然而，这些方法遭受以下方面困扰：能量密集、环境不友好、具有高制造成本、低制造速率、回收产物中的高杂质浓度和/或放大至工业规模上的困难。

因此，将高度需要的是通过开发廉价并且环境有好的方法以再循环工业废料材料，从而减少工业废料。此外，将高度适宜的是以廉价并且环境友好的方式以商业规模制备微米和/或纳米粒子粒子。

概述

在一些实施方案中，用于形成粒子或纳米颗粒的方法包括：将原材料作为第一电极连接在包括第一电极和对电极的电路中，所述第一电极和对电极的每一个至少部分地被放置在电解液中。电解液包含金属抗衡离子，对电极包含金属抗衡离子的源，并且原材料包含与金属抗衡离子具有电化学反应性的至少一种电化学反应性材料。该方法包括：在第一电极与对电极之间的施加第一电压以离子化金属抗衡离子的源，从而产生金属抗衡离子。金属抗衡离子的至少一些与第一电极中的所述至少一种电化学反应性材料反应以形成金属-电化学反应性材料化合物。该方法还包括：施加相对于第一电压具有相反极性的第二电压以从金属-电化学反应性材料化合物离子化金属抗衡离子以再填充对电极，从而制备电化学反应性材料的粒子。在一些实施方案中，该方法包括：重复第一和第二电压的施加以制备粒子(例如，微米和/或纳米粒子)。

在一些实施方案中，用于形成纳米粒子的方法包括：将作为第一电极的原材料连接在包括第一电极和对电极的电路中，所述第一电极和对电极的每一个至少部分地设置在电解液中。电解液包含锂抗衡离子(Li⁺)，对电极包含作为锂抗衡离子(Li⁺)的源的锂金属或含锂材料(例如，合金、化合物、混合物等)，并且原材料包括M，其中M是选自Si、Ga、Ge、Pt、Ag、Au、In、Sn、Al、Zn、Sb、Cd、As、Pb、Mg以及它们的组合中的至少一种电化学反应性材料。该方法包括：在第一电极与对电极之间施加约0.01V至约20V的第一电压以离子化锂抗衡离子的源，从而产生锂抗衡离子。锂抗衡离子的至少一些与第一电极中的所述至少一种电化学反应性材料反应以形成Li_xM_y化合物，其中Li_xM_y表示与包含电化学反应性材料的原材料的化合物比较，在单位体积上展现至少约20％变化率的化合物。该方法还包括：施加相对于第一电压具有相反极性的第二电压以从Li_xM_y化合物离子化Li抗衡离子，从而制备基本上纯化并粉化的M粒子。在一些实施方案中，M粒子在施加第一和第二电压的一个或多个循环之后形成。

在一些实施方案中，用于产生纳米粒子的装置包括：包含第一电极、对电极和电解液的电路。第一电极包括多孔的非反应性容器，所述多孔的非反应性容器用于容纳作为第一电极的至少一部分电连接的至少一种电化学反应性材料。对电极包括金属抗衡离子的源。电解液包括金属抗衡离子。第一电极和对电极彼此电连接用于在其间施加电压。第一电极和对电极的每一个至少部分地设置在电解液内。