[发明专利]一种大产量低成本生产氧化亚硅的汽化沉积设备

说明书

技术领域

本发明涉及一氧化硅生产设备技术领域，具体涉及一种大产量低成本生产氧化亚硅的汽化沉积设备。

背景技术

氧化亚硅，又名一氧化硅，是黑棕色到黄土色无定形粉末，白色立方晶体，结构为空间网状，不会自燃，不溶于水，熔点大于1702摄氏度，沸点是1880摄氏度，密度是2.13g/立方厘米。SiO是一种不稳定的硅氧化物，在空气中加热时会形成白色的二氧化硅粉末。 SiO其实并不是一个纯化合物，它实际上是非晶态的纳米Si颗粒通过特殊的合成方法均匀地分散到无定形的SiO2体相中形成的一种纳米复合材料，SiO的储锂容量来自于分散在SiO2里面的纳米Si颗粒。氧化亚硅的主要用途：用于光学玻璃和半导体材料；作为精细陶瓷合成原料，如氮化硅、碳化硅精细陶瓷粉末原料；蒸发涂覆在光学仪器的金属反射镜面上作保护膜；锂离子电池的高容量负极材料。

近年来，由于智能手机、平板电脑的快速普及，尤其是在国家大力发展新能源电动汽车的政策鼓舞下，锂离子电池的市场进入了快速发展通道，同时，随着新能源汽车的飞速发展，必须要大幅度提高动力锂离子电池的能量密度。工信部主导制定的《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020年）》中明确提出，2020年动力电池模块比能量要达到300Wh/kg。这意味着电芯能量密度至少要在350Wh/kg以上，同时成本降低一半，达到1元/Wh以下（指电芯）。因此，随着新能源汽车在实际应用中对续航里程要求的不断提高，目前的材料体系明显已无法实现这些目标，难以满足现实需求，大规模研发并推广应用新型高能量高性能材料迫在眉睫。

具体而言，提升动力锂离子电池的能量密度的问题就变得异常迫切。负极材料是锂离子电池的重要组成部分，它直接影响着电池的能量密度、循环寿命和安全性能等关键指标。目前氧化亚硅（SiO）负极材料是业界认为最有希望产业化的新一代高容量硅基负极材料。SiO 负极材料的比容量为2400 mAh/g，实际可逆容量在1500mAh/g以上，而石墨的理论比容量仅为372mAh/g。与石墨负极材料相比，硅基负极材料的能量密度优势明显。石墨的理论能量密度是372 mAh/g，而硅负极的理论能量密度超其10倍，高达4200mAh/g。硅碳复合材料能大大提升单体电芯的容量，有效缓解业内对电动汽车续航里程的担忧。

资料显示，美国特斯拉Tesla发布的Model 3电动汽车就采用了硅碳负极作为动力电池新材料，即日本松下新一代高容量18650电池，负极采用了少量SiO（～10%）混合人造石墨，通过在人造石墨中加入10%的硅基材料，特斯拉让电池容量达到了550mAh/g以上，电池能量密度可达300wh/kg；日本GS汤浅公司已推出采用硅基负极材料的锂电池，并成功应用在了三菱汽车上；此外，日本三井金属也雄心勃勃地要将硅负极锂电池推向消费电子和电动汽车两大领域。

氧化亚硅的生产采用汽化沉积法，其反应式为: SiO2+Si=2SiO 。由于氧化亚硅的生产条件非常苛刻，目前国内SiO粉体的工业化生产主要是在八十年代的实验室基础上延用半导体工业的高温蒸发工艺，生产设备产量小，单体生产设备单产仅为5-10公斤，生产使用电加热方式，耗能高，导致生产成本非常高。日本企业改进了SiO生产方法，通过高能球磨纳米/微米级的Si粉和SiO2颗粒然后热处理得到SiO粉体，再进行额外的碳包覆（有机碳源热解或者CVD包覆）来提高材料的导电性。传统的生产工艺设备决定了SiO的成本要远高于石墨类负极材料，比如日本某公司提供的样品价格高达100$/Kg，国内价格也在100RMB/Kg，虽然量产以后成本会有所下降，但价格仍然是电池厂家所关注的主要问题，居高难下的使用成本严重阻碍了SiO在硅基复合负极材料的大规模应用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种结构简单，设计合理、使用方便的大产量低成本生产氧化亚硅的汽化沉积设备，单体生产设备单产可以达到500-600公斤，并大幅度降低SiO的生产成本，较目前国内外同类产品相比具有极强的市场竞争力，为SiO在硅基复合负极材料的大规模应用奠定坚实的原始材料基础。