CN113937259A - 锂离子电池用氧化亚硅的制备方法及其装置、锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种锂离子电池用氧化亚硅的制备方法及其装置、锂离子电池。上述的锂离子电池用氧化亚硅的制备方法包括如下步骤：将二氧化硅与硅粉按预设摩尔比值进行混合操作，得到预混物；将预混物压合成块，并进行烘烤操作，得到氧化亚硅原料；将氧化亚硅原料在真空状态下进行中频感应加热操作；在进行中频感应加热操作时，同时对收集器进行可控加热操作；将所收集的物料进行冷却操作，得到锂离子电池用氧化亚硅。上述的锂离子电池用氧化亚硅的制备方法具有工艺简单、可控性较强、生产效率较高以及制备纯度较高的优点。

Description

锂离子电池用氧化亚硅的制备方法及其装置、锂离子电池
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，特别是涉及一种锂离子电池用氧化亚硅的制备方法及其装置、锂离子电池。
背景技术
近年来，锂离子电池对比能量要求越来越高，石墨负极材料提升空间有限，新一代硅基负极材料备受期待，但硅材料充放电时体积胀严重，氧化亚硅负极材料具有比容量较高、电压平台较低、原材料成本低廉等优点，碳包覆的氧化亚硅材料具有较好的循环性能，在锂离子电池负极材料领域具有良好应用前景。
氧化亚硅的制备方法主要采用硅和二氧化硅，经混合造粒，在真空炉中加热，经气化，在收集器中沉积得到氧化亚硅。目前主要采用真空卧式炉，中国专利CN205603231U采用钼、钨或钨钼合金加热真空炉制备氧化亚硅，但加热升温较慢，生产效率低；为提高生产效率中国专利CN106608629A采用中频加热卧室式炉制备氧化亚硅。上述制备方法制备得到的氧化亚硅结构不可控，得到的是以非晶为主的氧化亚硅，在做负极材料时，为得到较高的充放电效率，需对氧化亚硅先进行歧化处理，工艺复杂，生产效率低。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足之处，提供一种工艺简单、可控性较强、生产效率较高以及纯度较高的锂离子电池用氧化亚硅的制备方法及其装置、锂离子电池。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种锂离子电池用氧化亚硅的制备方法，包括如下步骤：
将二氧化硅与硅粉按预设摩尔比值进行混合操作，得到预混物；
将所述预混物压合成块，并进行烘烤操作，得到氧化亚硅原料；
将所述氧化亚硅原料在真空状态下进行中频感应加热操作；
在进行所述中频感应加热操作时，同时对收集器进行可控加热操作；
将所述收集器收集到的物料进行冷却操作，得到所述锂离子电池用氧化亚硅。
在其中一个实施例中，在将所述预混物压合成块，并进行烘烤操作，得到氧化亚硅原料的步骤之后，以及在将所述氧化亚硅原料在真空状态下进行中频感应加热操作的步骤之前，所述锂离子电池用氧化亚硅的制备方法还包括以下步骤：
将所述氧化亚硅原料放入至石墨坩埚，并在所述石墨坩埚中加入石墨棒。
在其中一个实施例中，所述石墨棒为可伸缩调节石墨棒。
在其中一个实施例中，所述收集器的外套设有电阻加热丝和测温热电偶。
在其中一个实施例中，所述预设摩尔比值为2/3～1。
在其中一个实施例中，所述中频感应加热操作的温度为1200℃～1600℃。
在其中一个实施例中，所述可控加热操作的温度为800℃～1200℃。
一种锂离子电池用氧化亚硅的制备装置，采用上述任一实施例所述的锂离子电池用氧化亚硅的制备方法对氧化亚硅进行制备。
在其中一个实施例中，包括炉体、炉盖石墨坩埚、石墨棒、感应线圈及收集器，所述炉体开设有加热腔，所述炉体的外侧开设有真空接口，所述真空接口与所述加热腔连通；所述炉盖与所述炉体连接；所述石墨坩埚设置于所述加热腔内，所述石墨棒设置于所述石墨坩埚内，所述感应线圈套设于所述石墨坩埚的表面；所述收集器设置于所述石墨坩埚的上方，所述收集器包括收集器主体、电阻加热丝和测温热电偶，所述收集器主体分别与所述电阻加热丝和所述测温热电偶连接，所述电阻加热丝用于对所述收集器主体进行加热，所述测温热电偶用于对所述收集器主体进行温度测量。
一种锂离子电池，所述锂离子电池包括如上任一实施例所述的锂离子电池用氧化亚硅的制备方法制备得到的氧化亚硅。
与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：
1、在本发明的锂离子电池用氧化亚硅的制备方法中，将二氧化硅与硅粉按预设摩尔比值进行混合操作，使预混物有利于压合成块，同时有利于提高后续制备得到氧化亚硅的纯度；进一步地，将氧化亚硅原料在真空状态下进行中频感应加热操作，能够有效地提高氧化亚硅原料加热的稳定性，从而提高锂离子用氧化亚硅的制备纯度和制备效率。此外，采用中频感应加热方式制备氧化亚硅，能够使设备连续稳定，且中频感应加热升华方式环保性较好，真空升华是物理分离方法，并未产生化学反应，在整个分离提纯过程中无废料、废气产生，对环境无污染。
2、在本发明的锂离子电池用氧化亚硅的制备方法中，将氧化亚硅原料在真空状态下进行中频感应加热操作的同时，对收集器进行可控加热操作，使收集器具有升温功能且温度可控制，当氧化亚硅吸附于收集器时，通过控制收集器的温度，能够调节氧化亚硅的结构，当收集器没有加热时，得到的氧化亚硅主要以非晶为主，通过提高收集器温度，得到的为含有纳米硅和非晶氧化硅的复合结构，当收集温度过高时，得到的为二氧化硅和硅的混合物，从而能够有效地控制得到氧化亚硅的结构，进而提升锂离子电池的性能。
3、在本发明的锂离子电池用氧化亚硅的制备方法中，由于收集器在收集氧化亚硅物料时，能够对氧化亚硅物料进行控温加热操作，使最终得到的二氧化硅为含有纳米硅和非晶氧化硅的复合结构，从而能够有效地提高锂离子电池的首次库伦效率。此外，通过收集器的可控加热操作，使氧化亚硅在作为锂离子电池负极材料时，无需进行歧化处理，从而能够简化制备工艺，提高生产效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明一实施方式的锂离子电池用氧化亚硅的制备方法的流程图；
图2为图1所示锂离子电池用氧化亚硅的制备方法制备得到的氧化亚硅XRD图；
图3为图1所示锂离子电池用氧化亚硅的制备方法中制备装置的结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本申请提供一种锂离子电池用氧化亚硅的制备方法。上述的锂离子电池用氧化亚硅的制备方法包括如下步骤：将二氧化硅与硅粉按预设摩尔比值进行混合操作，得到预混物；将所述预混物压合成块，并进行烘烤操作，得到氧化亚硅原料；将所述氧化亚硅原料在真空状态下进行中频感应加热操作；在进行所述中频感应加热操作的同时，对收集器进行可控加热操作；将所述收集器收集到的物料进行冷却操作，得到所述锂离子电池用氧化亚硅。
上述的锂离子电池用氧化亚硅的制备方法中，二氧化硅与硅粉按预设摩尔比值进行混合操作，使预混物有利于压合成块，同时有利于提高后续制备得到氧化亚硅的纯度；进一步地，将氧化亚硅原料在真空状态下进行中频感应加热操作，能够有效地提高氧化亚硅原料加热的稳定性，从而提高锂离子用氧化亚硅的制备纯度和制备效率。此外，采用中频感应加热方式制备氧化亚硅，能够使设备连续稳定，且中频感应加热升华方式环保性较好，真空升华是物理分离方法，并未产生化学反应，在整个分离提纯过程中无废料、废气产生，对环境无污染。可以理解的是，在氧化亚硅收集时，由于收集器不采用加热，氧化亚硅沉积时，收集器的温度较低且分布不均匀，如此制备得到的氧化亚硅结构不可控。而在本申请中，将氧化亚硅原料在真空状态下进行中频感应加热操作的同时，对收集器进行可控加热操作，使收集器具有升温功能且温度可控制，当氧化亚硅吸附于收集器时，通过控制收集器的温度，能够调节氧化亚硅的结构，当收集器没有加热时，得到的氧化亚硅主要以非晶为主，通过提高收集器温度，得到的为含有纳米硅和非晶氧化硅的复合结构，当收集温度过高时，得到的为二氧化硅和硅的混合物，从而能够有效地控制得到氧化亚硅的结构，进而提升锂离子电池的性能。由于收集器在收集氧化亚硅物料时，能够对氧化亚硅物料进行控温加热操作，使最终得到的二氧化硅为含有纳米硅和非晶氧化硅的复合结构，从而能够有效地提高锂离子电池的首次库伦效率。此外，通过收集器的可控加热操作，使氧化亚硅在作为锂离子电池负极材料时，无需进行歧化处理，从而能够简化制备工艺，提高生产效率。
请参阅图1，为了更好地理解本申请的锂离子电池用氧化亚硅的制备方法，以下对本申请的锂离子电池用氧化亚硅的制备方法作进一步的解释说明，一实施方式的锂离子电池用氧化亚硅的制备方法包括如下步骤：
S100、将二氧化硅与硅粉按预设摩尔比值进行混合操作，得到预混物。
可以理解的是，氧化亚硅的制备原理为Si+SiO2→SiO，在真空条件下加热后得到氧化亚硅产物。在本实施例中，将二氧化硅与硅粉按预设摩尔比值进行混合操作，使预混物有利于压合成块，同时有利于提高后续制备得到氧化亚硅的纯度。
S200、将预混物压合成块，并进行烘烤操作，得到氧化亚硅原料。
在本实施例中，预混物经压片机压制成块状，并对块状预混物进行烘烤操作，使预混物充分脱水，得到氧化亚硅原料，从而有利于氧化亚硅原料在真空状态下进行进一步的加热操作。
S300、将氧化亚硅原料在真空状态下进行中频感应加热操作。
在本实施例中，将氧化亚硅原料在真空状态下进行中频感应加热操作，能够有效地提高氧化亚硅原料加热的稳定性，从而提高锂离子用氧化亚硅的制备纯度和制备效率。此外，采用中频感应加热方式制备氧化亚硅，能够使设备连续稳定，且中频感应加热升华方式环保性较好，真空升华是物理分离方法，并未产生化学反应，在整个分离提纯过程中无废料、废气产生，对环境无污染。
S400、在进行中频感应加热操作时，同时对收集器进行可控加热操作。
在本实施例中，将氧化亚硅原料在真空状态下进行中频感应加热操作的同时，对收集器进行可控加热操作，使收集器具有升温功能且温度可控制，当氧化亚硅吸附于收集器时，通过控制收集器的温度，能够调节氧化亚硅的结构，当收集器没有加热时，得到的氧化亚硅主要以非晶为主，通过提高收集器温度，得到的为含有纳米硅和非晶氧化硅的复合结构，当收集温度过高时，得到的为二氧化硅和硅的混合物，从而能够有效地控制得到氧化亚硅的结构，进而提升锂离子电池的性能。可以理解的是，反应中，若氧化作用和还原作用发生在同一分子内部处于同一氧化态的元素上，使该元素原子(或离子)一部分被氧化，另一部分被还原，则这种自身的氧化还原反应被称为歧化反应。为了提高锂离子电池的首次库伦效率，现有的处理方法是将氧化亚硅高温歧化生成纳米硅晶畴和氧化硅，即在用氧化亚硅做负极材料时，需要对氧化亚硅先进行歧化处理，这样的处理方法存在工艺复杂，生产效率低的问题。在本实施例中，由于收集器在收集氧化亚硅物料时，能够对氧化亚硅物料进行控温加热操作，使最终得到的二氧化硅为含有纳米硅和非晶氧化硅的复合结构，从而能够有效地提高锂离子电池的首次库伦效率。此外，通过收集器的可控加热操作，使氧化亚硅在作为锂离子电池负极材料时，无需进行歧化处理，从而能够简化制备工艺，提高生产效率。
S500、将收集器收集到的物料进行冷却操作，得到锂离子电池用氧化亚硅。
在本实施例中，将收集器所收集的物料进行冷却操作，待物料冷却至室温之后，将中频感应加热设备中的收集器打开，然后取出吸附在收集器内壁上的高纯氧化亚硅成品。可以理解的是，当气体沉降、冷却后逐渐形成Si-O结构中均匀分布纳米Si的复合结构SiOx，其中当氧化亚硅升华成蒸汽后与收集器内壁接触，温度下降冷凝成固体，而其原料中的杂质，如硼，由于不具备升华的特性不能变成蒸汽仍然保留在石墨坩埚中，两者自然分离。
在其中一个实施例中，烘烤操作具体包括以下步骤：将压合成块的预混物放入80℃的烘箱中进行干燥处理，干燥时间为12小时；完成干燥处理后将块状预混物冷却至室温。可以理解的是，通过对块状预混物进行烘烤操作，使预混物充分脱水，得到氧化亚硅原料，以便于氧化亚硅原料的进一步反应。但是，若预混物脱水不充分，容易氧化亚硅原料的反应；若脱水温度过高，则容易使氧化亚硅原料提前反应，从而影响氧化亚硅的制备纯度。在本实施例中，将压合成块的预混物放入80℃的烘箱中进行干燥处理，干燥时间为12小时，能够保证预混物充分脱水，且能够保证预混物的稳定性，防止氧化亚硅原料提前反应。此外，完成干燥处理后将块状预混物冷却至室温，使预混物便于进行下一步操作。
在其中一个实施例中，在将预混物压合成块，并进行烘烤操作，得到氧化亚硅原料的步骤之后，以及在将氧化亚硅原料在真空状态下进行中频感应加热操作的步骤之前，锂离子电池用氧化亚硅的制备方法还包括以下步骤：将氧化亚硅原料放入至石墨坩埚，并在石墨坩埚中加入石墨棒。可以理解的是，氧化亚硅原料在真空状态下进行中频感应加热操作的步骤之前为块状，不利于均匀加热。其次，采用中频感应加热时，坩埚内容易出现温度不均匀的问题。为了提高对氧化亚硅原料加热的均匀性，在本实施例中，在将预混物压合成块，并进行烘烤操作，得到氧化亚硅原料的步骤之后，以及在将氧化亚硅原料在真空状态下进行中频感应加热操作的步骤之前，锂离子电池用氧化亚硅的制备方法还包括以下步骤：将氧化亚硅原料放入至石墨坩埚，并在石墨坩埚中加入石墨棒，石墨棒与石墨坩埚均为石墨材质，石墨棒能够分散石墨坩埚内的热量，从而提高石墨坩埚中反应温度的均匀性，从而提高对氧化亚硅原料加热的均匀性。
进一步地，石墨棒为可伸缩调节石墨棒。可以理解的是，采用中频感应加热时，坩埚内容易出现温度不均匀的问题。在石墨坩埚中加入石墨棒，石墨棒与石墨坩埚均为石墨材质，石墨棒能够分散石墨坩埚内的热量，从而提高石墨坩埚中反应温度的均匀性，从而提高对氧化亚硅原料加热的均匀性。为了进一步提高石墨坩埚内温度的均匀性以及可控性，在本实施例中，石墨棒为可伸缩调节石墨棒，通过调节石墨棒在石墨坩埚内的高度，能够调节石墨坩埚中反应温度的均匀性，从而进一步改善中频感应加热时石墨坩埚中温度不均匀的温度，进而提高氧化亚硅的制备纯度。此外，通过调节石墨棒的高度，还能够调整石墨坩埚内二氧化硅与硅粉的反应温度，从而有效地提高氧化亚硅的合成反应速度。在本实施例中，石墨棒高度的调节范围为15cm～30cm。
在其中一个实施例中，收集器的外套设有电阻加热丝和测温热电偶。可以理解的是，将氧化亚硅原料在真空状态下进行中频感应加热操作的同时，对收集器进行可控加热操作，使收集器具有升温功能且温度可控制，当氧化亚硅吸附于收集器时，通过控制收集器的温度，能够调节氧化亚硅的结构，当收集器没有加热时，得到的氧化亚硅主要以非晶为主，通过提高收集器温度，得到的为含有纳米硅和非晶氧化硅的复合结构，当收集温度过高时，得到的为二氧化硅和硅的混合物，从而能够有效地控制得到氧化亚硅的结构，进而提升锂离子电池的性能。但是，收集器中的温度容易存在可控性较差的问题。为了提高收集器中加热温度的可控性，在本实施例中，收集器的外套设有电阻加热丝和测温热电偶，电阻加热丝利用电流流过导体的焦耳效应产生的热能对收集器进行电加热，使用电阻丝加热具有可控性强以及能够快速升温的优点，从而能够提高收集器中加热温度的可控性，并且能够实现收集器的快速加热，提高氧化亚硅的反应速率，进而同时提高氧化亚硅的制备纯度和制备效率。进一步地，通过测温热电偶能够实时获得收集器的加热温度，以便于对收集器温度进行更好地调节，提高收集器温度的可控性。需要说明的是，测温热电偶由两种不同成分的导体两端连接成回路，如两连接端温度不同，则在回路内产生热电流的物理现像的热电偶由两根不同导线，即热电极组成，两根不同热电极的一端互相焊接，形成热电偶的测量端，将测量端***待测温度的收集器中，而热电偶的另一端，即参比端或自由端与显示仪表相连。由于热电偶直接与被测收集器接触，不受中间介质的影响，灵敏度和准确度较高；进一步地，热电偶由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，使用更加方便，从而能够进一步提高锂离子电池用氧化亚硅制备的可控性，同时保证锂离子电池用氧化亚硅的制备效率。更进一步地，由于热电偶测温是将温度测量转换为电学量的测量，使收集器的测温操作能够较好地使用自动调温和控温***，从而进一步提高收集器加热操作的可控性和精确性。
在其中一个实施例中，预设摩尔比值为2/3～1。可以理解的是，二氧化硅和硅粉为制备二氧化硅与硅粉的原料，氧化亚硅的制备原理为Si+SiO2→SiO，在真空条件下加热后得到氧化亚硅产物。反应中二氧化硅和硅粉的摩尔比值将直接影响得到氧化亚硅的纯度。为了进一步提高得到氧化亚硅的纯度，在本实施例中，将二氧化硅与硅粉按1/1.5～1/1的摩尔比值进行混合操作，需要说明的是，由于本申请在进行中频感应加热操作的同时，对收集器进行可控加热操作，而本实施例中二氧化硅与硅粉的摩尔比值大于1，从而通过提高收集器温度，能够得到较高纯度的含有纳米硅和非晶氧化硅的复合结构氧化亚硅，将复合结构氧化亚硅应用于锂离子电池负极材料，能够有效地提升锂离子电池的性能。
在其中一个实施例中，中频感应加热操作的温度为1200℃～1600℃。可以理解的是，将氧化亚硅原料在真空状态下进行中频感应加热操作，使氧化亚硅原料进行反应并逐渐升华，中频感应加热操作的温度对氧化亚硅原料反应的效果具有直接的影响。若中频感应加热操作的温度过低，氧化亚硅原料在真空状态下容易无法充分反应；若中频感应加热操作的温度过高，则容易破坏氧化亚硅原料自身的特性，从而影响氧化亚硅的制备。为了提高氧化亚硅的制备纯度和制备效率，在本实施例中，中频感应加热操作的温度为1200℃～1600℃，使氧化亚硅原料在真空状态下能够充分反应，提高合成反应速度，从而提高氧化亚硅的制备纯度和制备效率。
进一步地，中频感应加热操作的时间为2小时～8小时。在本实施例中，中频感应加热操作的时间为2小时～8小时，也就是说，使氧化亚硅原料在1200℃～1600℃的温度下反应2小时～8小时，从而使氧化亚硅原料充分反应，进而提高制备所得的氧化亚硅的纯度，同时还能有效提高反应速度。
在其中一个实施例中，可控加热操作的温度为800℃～1200℃。可以理解的是，将氧化亚硅原料在真空状态下进行中频感应加热操作的同时，对收集器进行可控加热操作，使收集器具有升温功能且温度可控制，当氧化亚硅吸附于收集器时，通过控制收集器的温度，能够调节氧化亚硅的结构，当收集器没有加热时，得到的氧化亚硅主要以非晶为主，通过提高收集器温度，得到的为含有纳米硅和非晶氧化硅的复合结构，当收集温度过高时，得到的为二氧化硅和硅的混合物，从而能够有效地控制得到氧化亚硅的结构，进而提升锂离子电池的性能。但是，若可控加热操作的温度过低，则无法调节氧化亚硅的结构；若可控加热操作的温度过高，则得到的为二氧化硅和硅的混合物，甚至破坏氧化亚硅原料，从而无法得到氧化亚硅。为了进一步提高得到氧化亚硅的结构可控性，在本实施例中，可控加热操作的温度为800℃～1200℃，即收集器的温度为800℃～1200℃，能够进一步提高得到氧化亚硅的结构可控性，使最终得到的二氧化硅为含有纳米硅和非晶氧化硅的复合结构，从而能够有效地提高锂离子电池的首次库伦效率。此外，在本实施例中，中频感应加热操作的温度为1200℃～1600℃，可控加热操作的温度小于中频感应加热操作的温度，有利于得到氧化亚硅后的冷却操作，从而提高锂离子用氧化亚硅的生产效率。
以下列举一些具体实施例，若提到％，均表示按重量百分比计。需注意的是，下列实施例并没有穷举所有可能的情况，并且下述实施例中所用的材料如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1
首先称取二氧化硅3.36kg、硅粉1.64kg，均匀混合，压成块，在烘箱中80℃条件下干燥12h,冷却至室温。将干燥后的物料加入中频感应炉的石墨坩埚的，调节坩埚内石墨棒的高度为15cm，加上物料收集器。将真空炉抽，开启中频感应加热，同时对收集器进行加热，中频感应加热温度1200℃，收集器温度控制为900℃，反应完成后，待炉温降至室温，取出收集器中的氧化亚硅。
实施例2
首先称取二氧化硅3.36kg、硅粉1.64kg，均匀混合，压成块，在烘箱中80℃条件下干燥12h,冷却至室温。将干燥后的物料加入中频感应炉的石墨坩埚的，调节坩埚内石墨棒的高度为30cm，加上物料收集器。将真空炉抽，开启中频感应加热，同时对收集器进行加热，中频感应加热温度1300℃,收集器温度控制为900℃,反应完成后，待炉温降至室温，取出收集器中的氧化亚硅。
实施例3
首先称取二氧化硅3.36kg、硅粉1.64kg，均匀混合，压成块，在烘箱中80℃条件下干燥12h,冷却至室温。将干燥后的物料加入中频感应炉的石墨坩埚的，调节坩埚内石墨棒的高度为20cm，加上物料收集器。将真空炉抽，开启中频感应加热，同时对收集器进行加热，中频感应加热温度1300℃，收集器温度控制为1000℃，反应完成后，待炉温降至室温，取出收集器中的氧化亚硅。
实施例4
首先称取二氧化硅3.36kg、硅粉1.64kg，均匀混合，压成块，在烘箱中80℃条件下干燥12h，冷却至室温。将干燥后的物料加入中频感应炉的石墨坩埚的，调节坩埚内石墨棒的高度为25cm，加上物料收集器。将真空炉抽，开启中频感应加热，同时对收集器进行加热，中频感应加热温度1400℃，收集器温度控制为1100℃，反应完成后，待炉温降至室温，取出收集器中的氧化亚硅。
实施例5
首先称取二氧化硅3.36kg、硅粉1.64kg，均匀混合，压成块，在烘箱中80℃条件下干燥12h，冷却至室温。将干燥后的物料加入中频感应炉的石墨坩埚的，调节坩埚内石墨棒的高度为20cm，加上物料收集器。将真空炉抽，开启中频感应加热，同时对收集器进行加热，中频感应加热温度1300℃，收集器温度控制为1100℃，反应完成后，待炉温降至室温，取出收集器中的氧化亚硅。
实施例6
首先称取二氧化硅3.36kg、硅粉1.64kg，均匀混合，压成块，在烘箱中80℃条件下干燥12h，冷却至室温。将干燥后的物料加入中频感应炉的石墨坩埚的，调节坩埚内石墨棒的高度为30cm，加上物料收集器。将真空炉抽，开启中频感应加热，同时对收集器进行加热，中频感应加热温度1200℃，收集器温度控制为1000℃，反应完成后，待炉温降至室温，取出收集器中的氧化亚硅。
实施例7
首先称取二氧化硅3.36kg、硅粉1.64kg，均匀混合，压成块，在烘箱中80℃条件下干燥12h，冷却至室温。将干燥后的物料加入中频感应炉的石墨坩埚的，调节坩埚内石墨棒的高度为20cm，加上物料收集器。将真空炉抽，开启中频感应加热，同时对收集器进行加热，中频感应加热温度1400℃，收集器温度控制为1100℃，反应完成后，待炉温降至室温，取出收集器中的氧化亚硅。
实施例8
首先称取二氧化硅3.36kg、硅粉1.64kg，均匀混合，压成块，在烘箱中80℃条件下干燥12h，冷却至室温。将干燥后的物料加入中频感应炉的石墨坩埚的，调节坩埚内石墨棒的高度为30cm，加上物料收集器。将真空炉抽，开启中频感应加热，同时对收集器进行加热，中频感应加热温度1400℃，收集器温度控制为1200℃,反应完成后，待炉温降至室温，取出收集器中的氧化亚硅。
对比例1
首先称取二氧化硅3.36kg、硅粉1.64kg，均匀混合，压成块，在烘箱中80℃条件下干燥12h,冷却至室温。将干燥后的物料加入中频感应炉的石墨坩埚的，调节坩埚内石墨棒的高度为20cm，加上物料收集器。将真空炉抽，开启中频感应加热，同时对收集器进行加热，中频感应加热温度1300℃，收集器不加热，反应完成后，待炉温降至室温，取出收集器中的氧化亚硅。
实验结果：
表1为实施例1～实施例8中石墨棒高度及中频加热温度对氧化亚硅合成反应的影响：
实施例 石墨棒高度(cm) 温度(℃) 反应完成时间(h)
实施例1 15 1200 5.7
实施例2 30 1300 2.5
实施例3 15 1300 4.5
实施例4 25 1400 2.4
实施例5 20 1300 4.2
实施例6 30 1200 4.8
实施例7 20 1400 3
实施例8 30 1400 2
表1
由表1的数据可知，实施例1与实施例6中的中频加热温度相同，实施例6中的石墨棒高度大于实施例1中的石墨棒高度，而实施例6的反应完成时间比实施例1的反应完成时间缩短了0.9小时，说明通过提高石墨棒高度，能够有效地提高氧化亚硅合成反应速度，从而提高锂离子用氧化亚硅的生产效率；实施例1与实施例3的石墨高度相同，实施例3的中频加热温度大于实施例1的中频加热温度，而实施例3的反应完成时间比实施例1的反应完成时间缩短了1.2小时，说明通过提高中频加热温度，能够有效地提高氧化亚硅合成反应速度，从而提高锂离子用氧化亚硅的生产效率。此外，在实施例1～实施例8中，实施例8的中频加热温度值及石墨高度值最大，而实施例8的反应完成时间最短。说明本申请在提高中频加热温度的同时，提高石墨棒的高度，能够有效地提高氧化亚硅合成反应速度。
图2为收集到的氧化亚硅X射线衍射(XRD)图，图2中A为对比例1得到的氧化亚硅XRD图，氧化亚硅XRD图A没有出现代表晶态物质的尖峰，说明由于对比例1中收集器不加热，使氧化亚硅结构不可控，得到的是以非晶为主的氧化亚硅；氧化亚硅XRD图B为实施例3得到的氧化亚硅XRD图，氧化亚硅XRD图C为实施例7得到的氧化亚硅XRD图，氧化亚硅XRD图D为实施例8得到的氧化亚硅XRD图，从氧化亚硅XRD图B至氧化亚硅XRD图D可看出，通过控制收集器的温度，能够调节氧化亚硅的结构，提高收集器温度，得到的为含有纳米硅和非晶氧化硅的复合结构，当收集温度过高时，得到的为二氧化硅和硅的混合物。因此，本申请的锂离子电池用氧化亚硅的制备方法能够有效地控制得到氧化亚硅的结构，进而提升锂离子电池的性能。
如图3所示，本申请还提供一种锂离子电池用氧化亚硅的制备装置10，采用上述任一实施例所述的锂离子电池用氧化亚硅的制备方法对氧化亚硅进行制备。进一步地，制备装置10包括炉体100、炉盖200、石墨坩埚300、石墨棒400、感应线圈500及收集器600，炉体100开设有加热腔112，炉体100的外侧开设有真空接口114，真空接口114与加热腔112连通；炉盖200与炉体100连接；石墨坩埚300设置于加热腔112内，石墨棒400设置于石墨坩埚300内，感应线圈500套设于石墨坩埚300的表面；收集器600设置于石墨坩埚300的上方，收集器600包括收集器主体610、电阻加热丝620和测温热电偶630，收集器主体分别与电阻加热丝620和测温热电偶630连接，电阻加热丝620用于对收集器主体进行加热，测温热电偶630用于对收集器主体610进行温度测量。
上述的锂离子电池用氧化亚硅的制备装置10中，炉体100开设有加热腔112，用于氧化亚硅原料的加热反应，炉体100的外侧开设有真空接口114，真空接口114用于与真空***连接，且真空接口114与加热腔112连通，当氧化亚硅原料进行加热反应时，通过真空***使炉内快速达到真空状态。炉盖200与炉体100连接，进一步地，炉盖200与炉体100之间设有密封垫，因此在炉体100加热腔112被抽真空时，炉盖200能够依靠外界大气压力来密封。更进一步地，石墨坩埚300设置于加热腔112内，石墨棒400设置于石墨坩埚300内，感应线圈500套设于石墨坩埚300的表面，当氧化亚硅原料进行加热反应时，石墨棒400能够分散石墨坩埚300内的热量，从而提高石墨坩埚300中反应温度的均匀性，从而提高对氧化亚硅原料加热的均匀性。此外，收集器600设置于石墨坩埚300的上方，收集器600包括收集器主体610、电阻加热丝620和测温热电偶630，收集器主体分别与电阻加热丝620和测温热电偶630连接，电阻加热丝620用于对收集器主体进行加热，测温热电偶630用于对收集器主体610进行温度测量。需要说明的是，炉体100开设有第一连接口和第二连接口，使电阻加热丝620和测温热电偶630能够与外部电源及显示装置连接。当氧化亚硅吸附于收集器600时，通过电阻加热丝620和测温热电偶630控制收集器600的温度，能够调节氧化亚硅的结构，当收集器600没有加热时，得到的氧化亚硅主要以非晶为主，通过提高收集器600温度，得到的为含有纳米硅和非晶氧化硅的复合结构，当收集温度过高时，得到的为二氧化硅和硅的混合物，从而能够有效地控制得到氧化亚硅的结构，进而提升锂离子电池的性能。
如图3所示，在其中一个实施例中，锂离子电池用氧化亚硅的制备装置10还包括保护填料层700，保护填料层700设置于石墨坩埚300与感应线圈500之间。在本实施例中，石墨坩埚300埋在保护填料中，感应线圈500套设于保护填料层700上，保护填料层700能够用以阻隔热量并且减缓石墨坩埚300氧化。此外，保护填料层700还能起到保温作用，从而提高石墨坩埚300加热的均匀性和稳定性。
本申请还提供一种锂离子电池，所述锂离子电池包括如上任一实施例所述的锂离子电池用氧化亚硅的制备方法制备得到的氧化亚硅。
与现有技术相比，本申请至少具有以下优点：
1、在本发明的锂离子电池用氧化亚硅的制备方法中，将二氧化硅与硅粉按预设摩尔比值进行混合操作，使预混物有利于压合成块，同时有利于提高后续制备得到氧化亚硅的纯度；进一步地，将氧化亚硅原料在真空状态下进行中频感应加热操作，能够有效地提高氧化亚硅原料加热的稳定性，从而提高锂离子用氧化亚硅的制备纯度和制备效率。此外，采用中频感应加热方式制备氧化亚硅，能够使设备连续稳定，且中频感应加热升华方式环保性较好，真空升华是物理分离方法，并未产生化学反应，在整个分离提纯过程中无废料、废气产生，对环境无污染。
2、在本发明的锂离子电池用氧化亚硅的制备方法中，将氧化亚硅原料在真空状态下进行中频感应加热操作的同时，对收集器进行可控加热操作，使收集器具有升温功能且温度可控制，当氧化亚硅吸附于收集器时，通过控制收集器的温度，能够调节氧化亚硅的结构，当收集器没有加热时，得到的氧化亚硅主要以非晶为主，通过提高收集器温度，得到的为含有纳米硅和非晶氧化硅的复合结构，当收集温度过高时，得到的为二氧化硅和硅的混合物，从而能够有效地控制得到氧化亚硅的结构，进而提升锂离子电池的性能。
3、在本发明的锂离子电池用氧化亚硅的制备方法中，由于收集器在收集氧化亚硅物料时，能够对氧化亚硅物料进行控温加热操作，使最终得到的二氧化硅为含有纳米硅和非晶氧化硅的复合结构，从而能够有效地提高锂离子电池的首次库伦效率。此外，通过收集器的可控加热操作，使氧化亚硅在作为锂离子电池负极材料时，无需进行歧化处理，从而能够简化制备工艺，提高生产效率。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种锂离子电池用氧化亚硅的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将二氧化硅与硅粉按预设摩尔比值进行混合操作，得到预混物；
将所述预混物压合成块，并进行烘烤操作，得到氧化亚硅原料；
将所述氧化亚硅原料在真空状态下进行中频感应加热操作；
在进行所述中频感应加热操作时，同时对收集器进行可控加热操作；
将所述收集器收集到的物料进行冷却操作，得到所述锂离子电池用氧化亚硅。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池用氧化亚硅的制备方法，其特征在于，在将所述预混物压合成块，并进行烘烤操作，得到氧化亚硅原料的步骤之后，以及在将所述氧化亚硅原料在真空状态下进行中频感应加热操作的步骤之前，所述锂离子电池用氧化亚硅的制备方法还包括以下步骤：
将所述氧化亚硅原料放入至石墨坩埚，并在所述石墨坩埚中加入石墨棒。
3.根据权利要求2所述的锂离子电池用氧化亚硅的制备方法，其特征在于，所述石墨棒为可伸缩调节石墨棒。
4.根据权利要求1所述的锂离子电池用氧化亚硅的制备方法，其特征在于，所述收集器的外套设有电阻加热丝和测温热电偶。
5.根据权利要求1所述的锂离子电池用氧化亚硅的制备方法，其特征在于，所述预设摩尔比值为2/3～1。
6.根据权利要求1所述的锂离子电池用氧化亚硅的制备方法，其特征在于，所述中频感应加热操作的温度为1200℃～1600℃。
7.根据权利要求1所述的锂离子电池用氧化亚硅的制备方法，其特征在于，所述可控加热操作的温度为800℃～1200℃。
8.一种锂离子电池用氧化亚硅的制备装置，其特征在于，采用权利要求1至7中任一项所述的锂离子电池用氧化亚硅的制备方法对氧化亚硅进行制备。
9.根据权利要求8所述的锂离子电池用氧化亚硅的制备装置，其特征在于，所述制备装置包括炉体、炉盖石墨坩埚、石墨棒、感应线圈及收集器，所述炉体开设有加热腔，所述炉体的外侧开设有真空接口，所述真空接口与所述加热腔连通；所述炉盖与所述炉体连接；所述石墨坩埚设置于所述加热腔内，所述石墨棒设置于所述石墨坩埚内，所述感应线圈套设于所述石墨坩埚的表面；所述收集器设置于所述石墨坩埚的上方，所述收集器包括收集器主体、电阻加热丝和测温热电偶，所述收集器主体分别与所述电阻加热丝和所述测温热电偶连接，所述电阻加热丝用于对所述收集器主体进行加热，所述测温热电偶用于对所述收集器主体进行温度测量。
10.一种锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池包括如权利要求1～7中任一所述的锂离子电池用氧化亚硅的制备方法制备得到的氧化亚硅。
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