一种含硅纳米材料的制备装置的制作方法

本技术属于化工装置设备，具体涉及一种含硅纳米材料的制备装置。

背景技术：

1、随着锂离子电池技术的快速发展，目前人造石墨负极的比容量已经接近石墨负极材料的理论比容量(372mah/g),已经无法满足高能量密度锂离子电池的发展需求。硅的理论比容量高达4200mah/g，是石墨负极材料的10倍以上，具有放电平台低、资源储量丰富等优点，被认为是最具潜力的新一代负极材料。但是，硅在嵌锂的过程中伴随着巨大的体积膨胀(～300％)，导致电极材料粉化并脱离集流体，表现出较差的循环稳定性。硅的纳米化是防止硅膨胀粉化、改善循环性能、提高活性材料利用率的有效手段。

2、纳米硅的制备方法包括物理法和化学法。物理法主要包括机械研磨法以及物理气相沉积法。机械研磨法制备的纳米硅的氧含量高，电化学性能不理想。物理气相沉积法制备的纳米硅纯度高、团聚程度小，但是所需设备复杂、投资大，能耗高，量产困难。化学法包括化学气相沉积法、金属热还原法等。金属热还原法会产生大量的废酸，环保性较差。化学气相沉积法是利用等离子体加热、电阻加热、激光加热等加热方法在常压或低压下加热硅烷发生裂解反应，从而制备纳米硅。化学气相沉积法反应温度低、产量高、纳米硅尺寸易控制，且副产物仅有氢气，无毒无污染，是制备纳米硅的理想方法。利用化学气相沉积法制备纳米硅时，不同反应阶段的温度不易控制，容易造成相互影响，同时反应一般不能连续进行；另外，化学气相沉积法通常是将载气和硅烷从一个进气口通入反应器，这使硅烷会与反应器壁接触，造成纳米硅在反应器壁上沉积，从而造成产物损失。

技术实现思路

1、因此，本实用新型要解决的技术问题在于克服现有技术中含硅纳米材料的制备装置存在的缺陷，从而提供一种含硅纳米材料的制备装置。

2、为此，本实用新型提供如下技术方案：

3、本实用新型提供一种含硅纳米材料的制备装置，包括连通设置的反应系统和过滤系统，所述过滤系统的设置个数为两个以上；

4、所述反应系统包括反应器炉管，所述反应器炉管从上到下交替设置若干个加热区和冷却区；

5、第一反应气进气口，位于反应器炉管顶部；

6、第二反应气进气口，位于第一反应气进气口下方的冷却区。

7、可选地，所述反应器炉管从上到下交替设置的加热区和冷却区的个数可以根据具体应用中所涉及反应过程的具体阶段进行设置，例如，反应过程中如只有一个反应阶段则设置1个加热区和冷却区，反应过程中如有两个反应阶段则交替设置2个加热区和冷却区。

8、可选地，还包括鞘气进气口，所述鞘气进气口为环形进气口，环绕所述第一反应气进气口设置。

9、可选地，所述反应器炉管从上到下包括第一加热区和第一冷却区，第二加热区和第二冷却区；

10、可选地，所述第一冷却区还设置有第二反应气进气口。

11、可选地，所述第二反应气进气口沿所述反应器炉管管壁周向均匀布置2个以上；

12、和/或，所述第二反应气进气口与反应器炉管管壁向下的夹角为45-90°，且第二反应气进气口设置在第一冷却区，可以防止反应气在第二反应气进气口处发生反应生成纳米粉体，避免第二反应气进气口堵塞。

13、所述反应器炉管与过滤系统的连通管路上还设置有钝化气进气口。钝化气用于对产物纳米粉体进行表面钝化，同时还可以防止可能的自燃。钝化气进气口还可以在反应进行过程中，通入惰性气体对反应产物进行进一步的冷却，降低反应产物的温度，减少因反应产物温度过高对过滤器系统中滤芯的损害。

14、本实用新型中，对于反应系统与第一过滤系统和/或第二过滤系统之间的连通方式没有特别限定。典型非限定性地，反应系统与第一过滤系统和/或第二过滤系统之间可通过不锈钢波纹连接管连通，所述连接管上还可设置有相应的阀门。所述反应系统还包括压力、温度传感装置，用于反应系统的温度和压力监测。

15、可选地，所述过滤系统包括反应物料入口、粉体收集腔、滤芯和尾气出口，来自反应系统的物料从反应物料入口进入过滤系统、并经过滤芯过滤后实现产物粉体和尾气的分离。

16、可选地，所述尾气出口设置在过滤系统的顶部；所述滤芯设置在尾气出口的下方；所述粉体收集腔设置的过滤系统的底部；反应物料入口设置在滤芯的下方。

17、和/或，所述粉体收集腔可拆卸。

18、本实用新型中，对滤芯没有特别要求，只要能够实现目标产物与未反应的原料气、鞘气和载气等气体的分离即可。典型非限定性地，所述滤芯为金属烧结滤芯或陶瓷烧结滤芯。

19、可选地，所述加热区设置有加热系统；所述冷却区设置有冷却系统；

20、和/或，所述尾气出口连接有尾气处理系统。

21、可选地，还包括控制系统，所述反应系统、过滤系统、尾气处理系统均与控制系统电连接。

22、本实用新型中，对具体的加热系统和冷却系统没有特别限定，只要能够实现相应的反应器炉管区域的加热和冷却即可。典型非限定性地，所述加热系统为电加热系统，所述冷却系统为循环水冷却系统或循环气体冷却系统等。

23、本实用新型技术方案，具有如下优点：

24、本实用新型提供的含硅纳米材料的制备装置，包括连通设置的反应系统和过滤系统，所述过滤系统的设置个数为两个以上；所述反应系统包括反应器炉管，所述反应器炉管从上到下交替设置若干个加热区和冷却区；第一反应气进气口，位于反应器炉管顶部；第二反应气进气口，位于第一反应气进气口下方的冷却区。其中，加热区和冷却区交替设置，能够实现同一反应器炉管内加热区的不同温度控制，避免加热区域之间温度的相互影响。设置两个以上的过滤系统，不同过滤系统切换使用，一套完成收集纳米粉体后，关闭阀门不与反应器系统连通，进行产物纳米粉体的移出，同时打开另一套的阀门，与反应器系统进行连通，用于产物纳米粉体的收集，能够保证反应的连续进行，实现连续化生产。

25、本实用新型提供的含硅纳米材料的制备装置，通过对反应器的进气口和鞘气进气口进行特别设计，可大幅降低硅烷与反应器壁接触的概率，从而减少产物的损失。

26、本实用新型提供的含硅纳米材料的制备装置，所述反应器炉管从上到下包括第一加热区和第一冷却区，第二加热区和第二冷却区。在常规的反应器中反应过程中生成的纳米硅颗粒相互之间碰撞，非常容易团聚成大颗粒，本发明反应炉管如上交替设置，在第一加热区纳米硅生成后经过第一冷却区迅速冷却，可以很大程度避免纳米硅剧烈碰撞团聚成大颗粒，并且接下来能够直接在第二加热区内实现对纳米硅进行原位表面包覆。

技术特征：

1.一种含硅纳米材料的制备装置，其特征在于，包括连通设置的反应系统和过滤系统，所述过滤系统的设置个数为一个或多个；

2.根据权利要求1所述的含硅纳米材料的制备装置，其特征在于，还包括鞘气进气口，所述鞘气进气口为环形进气口，环绕所述第一反应气进气口设置。

3.根据权利要求1所述的含硅纳米材料的制备装置，其特征在于，所述第二反应气进气口沿所述反应器炉管管壁周向均匀布置2个以上。

4.根据权利要求3所述的含硅纳米材料的制备装置，其特征在于，所述第二反应气进气口与反应器炉管管壁向下的夹角为45-90°。

5.根据权利要求1所述的含硅纳米材料的制备装置，其特征在于，所述反应器炉管从上到下包括第一加热区和第一冷却区，第二加热区和第二冷却区。

6.根据权利要求1-5任一项所述的含硅纳米材料的制备装置，其特征在于，所述反应系统与过滤系统的连通管路上还设置有钝化气进气口。

7.根据权利要求1-5任一项所述的含硅纳米材料的制备装置，其特征在于，所述过滤系统包括反应物料入口、粉体收集腔、滤芯和尾气出口，来自反应系统的物料从反应物料入口进入过滤系统、并经过滤芯过滤后实现产物粉体和尾气的分离。

8.根据权利要求6所述的含硅纳米材料的制备装置，其特征在于，所述过滤系统包括反应物料入口、粉体收集腔、滤芯和尾气出口，来自反应系统的物料从反应物料入口进入过滤系统、并经过滤芯过滤后实现产物粉体和尾气的分离。

9.根据权利要求7所述的含硅纳米材料的制备装置，其特征在于，所述尾气出口设置在过滤系统的顶部；所述滤芯设置在尾气出口的下方；所述粉体收集腔设置在过滤系统的底部；反应物料入口设置在滤芯的下方；

10.根据权利要求8所述的含硅纳米材料的制备装置，其特征在于，所述尾气出口设置在过滤系统的顶部；所述滤芯设置在尾气出口的下方；所述粉体收集腔设置在过滤系统的底部；反应物料入口设置在滤芯的下方；

11.根据权利要求7所述的含硅纳米材料的制备装置，其特征在于，所述加热区设置有加热系统；所述冷却区设置有冷却系统；

12.根据权利要求8-10任一项所述的含硅纳米材料的制备装置，其特征在于，所述加热区设置有加热系统；所述冷却区设置有冷却系统；

13.根据权利要求11所述的含硅纳米材料的制备装置，其特征在于，还包括控制系统，所述反应系统、过滤系统、尾气处理系统均与控制系统电连接。

14.根据权利要求12所述的含硅纳米材料的制备装置，其特征在于，还包括控制系统，所述反应系统、过滤系统、尾气处理系统均与控制系统电连接。

技术总结
本技术属于化工装置设备技术领域，具体涉及一种含硅纳米材料的制备装置。本技术提供的含硅纳米材料的制备装置，包括连通设置的反应系统和过滤系统，所述过滤系统的设置个数为两个以上；所述反应系统包括反应器炉管，所述反应器炉管从上到下交替设置若干个加热区和冷却区；第一反应气进气口，位于反应器炉管顶部；第二反应气进气口，位于第一反应气进气口下方的冷却区。其中，加热区和冷却区交替设置，能够实现同一反应器炉管内加热区的不同温度控制，避免加热区域之间温度的相互影响，设置两个以上的过滤系统能够保证反应的连续进行，实现连续化生产。

技术研发人员：阳缘,王志勇
受保护的技术使用者：湖南中科星城石墨有限公司
技术研发日：20231020
技术公布日：2024/9/23