[发明专利]在气相反应器中合成硅-碳复合材料

说明书

本发明提供了制造硅‑SiC复合材料粉末的方法，其中将气体料流I和同轴气体料流II送入到热壁反应器中，气体料流I含有SiH₄、Si₂H₆和/或Si₃H₈和至少一种选自乙烯和/或乙炔的烃，同轴气体料流II含有氢气，其中气体料流II相对于气体料流I形成夹套料流，并使至少气体料流I在900℃至1100℃的温度下反应，并随后在热壁反应器的出口处将反应混合物冷却或使其冷却，并将粉状反应产物与气态物质分离。

技术领域

本发明涉及用于制造硅-碳复合材料的方法，其可用作锂离子电池组中的复合材料或阳极材料。

背景技术

硅复合材料作为锂离子电池组中的阳极材料具有很大的潜力。由于在重复充电/放电过程中硅的体积变化大，这些硅复合材料不能用作阳极材料。

因此已经进行了大量努力，通过使用硅-石墨、石墨烯-纳米硅、硅-碳纳米管、硅-碳纳米线、用硅包封的碳和用碳包封的硅的复合材料来改进循环稳定性。制造这些复合材料的方法例如是热解、研磨或CVD法 (Zhang等，Nanoscale, 5 (2013) 5384和Kasavajjula等，Journal Power Sources 163 (2007) 1003)。

Magasinki等，Nat. Mater.9 (2010) 353描述了在两阶段CVD法中由单硅烷和丙烯起始制造硅-碳复合材料。在第一步中，通过在700℃下在真空下将SiH₄/He混合物引入管式反应器中，将硅施加在载体上。随后，通过在上述条件下将丙烯引入管式反应器中，将碳施加在该硅上。

WO2011/006698公开了制造纳米结构化的硅-碳复合材料的方法，其中将亚微硅粉添加到通过羟基芳族化合物与醛反应而制造的含碳混合物中，并将该混合物在500℃至1200℃下碳化。

根据Wang等, Electrochem. Commun. 6 (2004)，689，另一个变型方案是将纳米晶硅粉添加到凝胶间苯二酚/甲醛混合物中，其在85℃下固化10小时。该混合物是紧密块，其在650℃下转变成包含40％碳的硅-碳复合材料。

EP-A-2782167公开了制造Si/C复合材料的方法，其中硅和木质素在至少400℃下在惰性气体气氛中反应。

US2009029256公开了制造Si/碳复合物的方法，其中碱土金属和硅酸/碳复合材料的混合物在惰性气氛中加热。

公开说明书DE 102009033251A1提出了用于由硅-碳或硅-锡制造复合材料的三阶段方法。在此生成Si或Sn纳米颗粒并随后引入有机聚合物中。在第三步中，将由聚合物基质和纳米颗粒形成的体系热解。

专利申请DE 102016203324.7公开了制造硅-碳复合材料粉末的方法，其中硅烷在热壁反应器中在含烃的气体料流中反应。

常规方法通常包含多于两个阶段，因此是复杂的，或者它们具有仅提供小的实验室常见量的缺点。后者例如归因于未分解的前体沉积在设备内部并必须在设备停运的情况下重新去除。因此，这类方法常常不能较长时间保持稳定运行。

发明内容

本发明的目的是提供一种方法，其实现以较少的步骤并通过使用工业大规模可用的原料而制造基于硅和碳的复合材料。

本发明提供了制造硅-SiC复合材料粉末的方法，其特征在于:

a)将含有至少一种选自SiH₄、Si₂H₆和/或Si₃H₈的硅烷并含有至少一种选自乙烯和/或乙炔的烃的气体料流I和含氢气的同轴气体料流II送入热壁反应器中，其中气体料流II相对于气体料流I形成夹套料流，并