本發(fā)明屬于硅納米材料生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域，特指一種連續(xù)量產(chǎn)硅納米線團(tuán)或硅棉絮狀顆粒團(tuán)的裝置，該裝置生產(chǎn)出的硅納米線團(tuán)或硅棉絮狀顆粒團(tuán)可用于生產(chǎn)鋰離子電池材料及航空、航天發(fā)動機(jī)、碳化硅陶瓷纖維材料等。

背景技術(shù)：

隨著人口的急速膨脹和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，以鋰離子電池為主要表現(xiàn)形式的電化學(xué)儲能，主要以其環(huán)境友好、循環(huán)壽命長、自放電小、能量密度相對其它電池類高等特點，受到極大的青睞和關(guān)注，已在各類便攜式電子產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用，然而近幾年隨著全球?qū)π履茉雌嚠a(chǎn)業(yè)的大力發(fā)展，其原有采用石墨材料作為負(fù)極材料，已經(jīng)很難滿足動力電池的高容量密度的要求，全球各國科技人員均在研究高比容量的已知理論容量密度為4200mah/g的負(fù)極材料，來取代現(xiàn)有的石墨材料為主的負(fù)極材料，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于石墨負(fù)極已知理論容量(372mah/g)，但硅材料在鋰離子電池合金化反應(yīng)導(dǎo)致充放電過程中硅材料的體積膨脹，其膨脹達(dá)0-300％，極易導(dǎo)致電極結(jié)構(gòu)的破壞，電池容量衰減劇烈，近幾年全球科學(xué)界人士硅納米化和空心化來解決硅材料在鋰離子電池應(yīng)用中產(chǎn)生的體積膨脹變化，造成粉碎、電池容量衰減劇烈問題，相關(guān)文獻(xiàn)可參考cn105271237a(中國兵器科學(xué)研究院寧波分院)、cn1382626a(清華大學(xué))、cn106252622a(深圳市貝特瑞新能源材料股份有限公司)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種連續(xù)量產(chǎn)高容量密度的硅納米線團(tuán)或硅棉絮狀顆粒團(tuán)的裝置。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：

一種連續(xù)量產(chǎn)硅納米線團(tuán)或硅棉絮狀顆粒團(tuán)的裝置，包括爐體、爐體內(nèi)的坩堝、加熱蒸發(fā)坩堝內(nèi)的硅材料的等離子體噴槍、收集硅納米線團(tuán)或硅棉絮狀顆粒團(tuán)的收集器，坩堝與收集器之間通過生長成型控制器連通，生長成型控制器的內(nèi)徑與長度之比為1:1～100，生長成型控制器的內(nèi)徑與其擴(kuò)徑部的內(nèi)徑之比為0.03～1:1，等離子體噴槍的噴頭穿過爐體伸入到坩堝內(nèi)腔，等離子體噴槍外表面包覆有耐高溫材料制成的護(hù)套，等離子體噴槍內(nèi)有冷卻循環(huán)水和產(chǎn)生等離子體弧所需要的氣體進(jìn)入，等離子體噴槍電極連接引弧器，引弧器連接直流電源柜，爐體內(nèi)壁與坩堝之間設(shè)置有保溫隔熱材料，收集器出氣口通過管道連通真空泵或減壓閥、抽風(fēng)機(jī)、用于冷卻氣體用的熱交換器后與坩堝內(nèi)腔連通，或熱交換器與坩堝內(nèi)腔之間連通的管道上連通有儲氣容器，通入坩堝內(nèi)腔的氣體質(zhì)量與通入生長成型控制器內(nèi)腔的氣體質(zhì)量之比為1:1～100，為坩堝內(nèi)腔加料的儲料器的進(jìn)料管或/和加料管上設(shè)置有一個以上的控制閥，用于不停機(jī)加料。

上述的冷卻氣體為氮氣、氬氣、氦氣、氙氣、氖氣、氫氣中的一種氣體或兩種以上的混合氣體。

上述的收集器的內(nèi)腔內(nèi)間隔設(shè)置有10～300根氣固分離管，氣固分離管的外徑與長度之比為1:3～100，相鄰氣固分離管之間的距離與氣固分離管外徑之比為0.01～10:1，每個氣固分離管的下端封閉、管壁上設(shè)置透氣微孔、上端與收集器的出氣口連通；或所述的收集器的內(nèi)腔內(nèi)設(shè)置有一個以上的桶體，桶底封閉，桶壁上間隔設(shè)置有透氣微孔，桶體開口與收集器的出氣口連通，桶體內(nèi)徑與桶體高度之比為1:0.2～20。

上述收集器的進(jìn)料口處的氣體溫度為50～350℃，收集器的下側(cè)設(shè)置有排料管，排料管上設(shè)置有一個以上的控制閥，用于不停機(jī)排料。

上述保溫隔熱材料為下列一種或兩種以上保溫隔熱材料的組合：碳?xì)?、石墨、氧化鋯、氧化鋁。

上述直流電源柜的供電電流為180～2600a,供電電壓為100～220v。

上述的等離子體噴槍內(nèi)的冷卻循環(huán)水的壓力為120～1200kpa，等離子體噴槍內(nèi)產(chǎn)生等離子體弧所需要的氣體壓力為150～1000kpa，所述的等離子體噴槍內(nèi)產(chǎn)生等離子體弧所需要的氣體為氮氣、氬氣、氦氣、氙氣、氖氣、氫氣中的一種或兩種以上的氣體組合。

上述的儲料器向坩堝內(nèi)腔不停機(jī)加入的原料為硅，所述硅的含量≧98％，或≧99.95％，所述硅的最大長度為0.01～50mm。

上述裝置利用硅材料可生產(chǎn)出硅納米線團(tuán)或硅棉絮狀顆粒團(tuán)，所述的硅納米線團(tuán)中線徑在15～300nm之間的硅納米線的重量占硅納米線團(tuán)總重量的60％以上，硅納米線團(tuán)中硅粒徑在0.5～100um之間的硅納米顆粒占硅納米線團(tuán)總重量的60％以上；所述裝置生產(chǎn)出的硅棉絮狀顆粒團(tuán)中硅粒徑在0.5～100um之間的硅顆粒占硅棉絮狀顆粒團(tuán)總重量的60％以上。

上述裝置生產(chǎn)出的硅納米線團(tuán)或硅棉絮狀顆粒團(tuán)用于生產(chǎn)碳化硅陶瓷纖維的原料；或所述裝置生產(chǎn)出的硅納米線團(tuán)或硅棉絮狀顆粒團(tuán)的外表面包覆一層導(dǎo)體材料后，用于鋰離子電池的負(fù)極材料。

本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)突出且有益的技術(shù)效果是：

1、通過嚴(yán)格控制本發(fā)明的各項指標(biāo)：例如生長成型控制器的尺寸比例的控制、冷卻氣體的氣量進(jìn)入坩堝內(nèi)腔和進(jìn)入生長成型控制器內(nèi)腔氣量比例控制、等離子體噴槍所需要的電流、電壓的控制，達(dá)到臨界點來實現(xiàn)硅納米線團(tuán)或硅棉絮狀顆粒團(tuán)的生長成型，為到2020年實現(xiàn)國產(chǎn)新能源汽車儲能電池電芯單體達(dá)到400wh/kg和成組電池達(dá)到300wh/kg目標(biāo)邁出堅實的一步。

2、從目前全球來看，對納米級材料，特別是150nm以下的單顆粉體材料外表要達(dá)到均勻包覆著另一物質(zhì)的材料，其本身單體150nm以下的粉體材料的均勻分散技術(shù)就是一項非常困難的技術(shù)難題，本發(fā)明首創(chuàng)的該裝置可以完美生產(chǎn)出硅納米線團(tuán)或硅棉絮狀顆粒團(tuán)新材料，具備了硅在鋰離子電池硅碳復(fù)合負(fù)極材料中硅材料需要空心化、納米化來解決鋰離子在電池充放電過程中的體積膨脹、造成破裂，導(dǎo)致電池壽命及容量急劇衰減的問題，同時也解決了硅材料納米化后單體粒子在150nm以下的粒子極易團(tuán)聚，不易均勻分散的問題，(參見中國專利cn105118996a《一種納米硅的分散方法》)，用本發(fā)明生產(chǎn)出的材料單體顆粒為微米級顆粒材料，微米級粉末由于其均勻分散性好，極易在其外表包覆導(dǎo)電材料。

3、本發(fā)明可以連續(xù)量產(chǎn)硅納米線團(tuán)或硅棉絮狀顆粒團(tuán)材料，即解決了硅的納米化，同時也解決了硅的空心化，一舉兩得，利用本發(fā)明連續(xù)量產(chǎn)硅納米線團(tuán)或硅棉絮狀顆粒團(tuán)，大幅降低了硅納米材料的高昂成本問題，為動力電池高容量儲能材料發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

4、本發(fā)明的適用于連續(xù)量產(chǎn)硅納米線團(tuán)或硅棉絮狀顆粒團(tuán)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理示意圖。

圖2是本發(fā)明的收集器的局部結(jié)構(gòu)放大示意圖。

圖3-圖14是用本發(fā)明生產(chǎn)出的硅納米線團(tuán)或硅棉絮狀顆粒團(tuán)的場發(fā)式掃描電子顯微鏡的照片。

其中：圖4、5、7、11為以硅納米線團(tuán)為主的場發(fā)式掃描電子顯微鏡的照片；圖3、6、8、9、10、12、13、14為以硅棉絮狀顆粒團(tuán)為主的場發(fā)式掃描電子顯微鏡的照片。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖以具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述，參見圖1-圖14：

一種連續(xù)量產(chǎn)硅納米線團(tuán)或硅棉絮狀顆粒團(tuán)的裝置，包括爐體14、爐體14內(nèi)的坩堝11、加熱蒸發(fā)坩堝11內(nèi)的硅材料的等離子體噴槍19、收集硅納米線團(tuán)或硅棉絮狀顆粒團(tuán)的收集器23，坩堝11與收集器23之間通過生長成型控制器22連通，生長成型控制器22的內(nèi)徑h2與長度h1之比為1:1～100，生長成型控制器22的內(nèi)徑h2與其中擴(kuò)徑部h3的內(nèi)徑之比為0.03～1:1，等離子體噴槍19的噴頭穿過爐體14伸入到坩堝內(nèi)腔12，等離子體噴槍19外表面包覆有耐高溫材料制成的護(hù)套20，等離子體噴槍19內(nèi)有冷卻循環(huán)水和產(chǎn)生等離子體弧所需要的氣體進(jìn)入，等離子體噴槍19電極連接引弧器36，引弧器36連接直流電源柜18，爐體14內(nèi)壁與坩堝11之間設(shè)置有保溫隔熱材料13，收集器23出氣口通過管道26連通真空泵24或減壓閥、抽風(fēng)機(jī)25、用于冷卻氣體用的熱交換器28后與坩堝11內(nèi)腔連通，或熱交換器28與坩堝11內(nèi)腔之間連通的管道26上連通有儲氣容器29，通過支管35通入坩堝11內(nèi)腔的氣體質(zhì)量與通過支管33通入生長成型控制器內(nèi)腔37的氣體質(zhì)量之比為1:1～100，為坩堝內(nèi)腔12加料的儲料器17的進(jìn)料管39或/和加料管16上設(shè)置有一個以上的控制閥15、38，用于不停機(jī)加料；所述的爐體14及生長成型控制器22的側(cè)壁均為夾層結(jié)構(gòu)，爐體側(cè)壁及生長成型控制器22的夾層內(nèi)均通過進(jìn)出水導(dǎo)管10通入冷卻循環(huán)水，以防止?fàn)C傷工作人員；所述的收集器23的側(cè)壁為夾層結(jié)構(gòu)，收集器側(cè)壁的夾層內(nèi)通過支管32與管道26連通，以通入冷卻氣體，連通熱交換器28的管道26上安裝有閥門27，所有的閥門等電動部件均有電器控制柜控制。

上述的冷卻氣體為氮氣、氬氣、氦氣、氙氣、氖氣、氫氣中的一種氣體或兩種以上的混合氣體。

上述的收集器23的內(nèi)腔內(nèi)間隔設(shè)置有10～300根氣固分離管53，最佳為20～120根氣固分離管53，氣固分離管40的外徑l2與長度l4之比為1:3～100，相鄰氣固分離管40之間的距離l1與氣固分離管40外徑l2之比為0.01～10:1，每個氣固分離管40的下端封閉、管壁上設(shè)置透氣微孔41、上端與收集器23的出氣口42連通；或所述的收集器的內(nèi)腔內(nèi)設(shè)置有一個以上的桶體，桶底封閉，桶壁上間隔設(shè)置有透氣微孔，桶體開口與收集器的出氣口連通，桶體內(nèi)徑與桶體高度之比為1:0.2～20。

上述收集器23的進(jìn)料口43處的氣體溫度為50～350℃，最佳氣體溫度為80～250℃，收集器23的下側(cè)設(shè)置有排料管31，排料管31上設(shè)置有一個以上的控制閥30，用于不停機(jī)排料。

上述保溫隔熱材料13為下列一種或兩種以上保溫隔熱材料13的組合：碳?xì)?、石墨、氧化鋯、氧化鋁。

上述直流電源柜18的供電電流為180～2600a，最佳供電電流為260～1000a,供電電壓為100～220v。

上述的等離子體噴槍19內(nèi)的冷卻循環(huán)水的壓力為120～1200kpa，等離子體噴槍19內(nèi)產(chǎn)生等離子體弧所需要的氣體壓力為150～1000kpa，所述的等離子體噴槍內(nèi)產(chǎn)生等離子體弧所需要的氣體為氮氣、氬氣、氦氣、氙氣、氖氣、氫氣中的一種或兩種以上的氣體組合，兩種以上的氣體構(gòu)成混合氣體。

上述的儲料器17向坩堝內(nèi)腔12不停機(jī)加入的原料為硅，所述硅的含量≧98％，或≧99.95％，所述硅的最大長度為0.01～50mm。

上述裝置利用硅材料可生產(chǎn)出硅納米線團(tuán)或硅棉絮狀顆粒團(tuán)，原料利用率達(dá)到85％以上，所述的硅納米線團(tuán)中線徑在15～300nm之間的硅納米線的重量占硅納米線團(tuán)總重量的60％以上，硅納米線團(tuán)中硅粒徑在0.5～100um之間的硅納米顆粒占硅納米線團(tuán)總重量的60％以上；所述裝置生產(chǎn)出的硅棉絮狀顆粒團(tuán)中硅粒徑在0.5～100um之間的硅顆粒占硅棉絮狀顆粒團(tuán)總重量的60％以上。

上述裝置生產(chǎn)出的硅納米線團(tuán)或硅棉絮狀顆粒團(tuán)用于生產(chǎn)碳化硅陶瓷纖維的原料；或所述裝置生產(chǎn)出的硅納米線團(tuán)或硅棉絮狀顆粒團(tuán)的外表面包覆一層導(dǎo)體材料后，用于鋰離子電池的負(fù)極材料。

上述實施例僅為本發(fā)明的較佳實施例，并非依此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，故：凡依本發(fā)明的結(jié)構(gòu)、形狀、原理所做的等效變化，均應(yīng)涵蓋于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。