DE102013205225A1 - Production of silicon-containing nano- and micrometer-scale particles - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Silicium enthaltenden nano- und/oder mikrometerskaligen Partikeln, wobei in einer gasdichten Kammer zwischen zwei oder mehreren Elektroden aus Silicium mittels Hochspannung ein Lichtbogen erzeugt wird, wodurch Silicium der Elektrode verdampft, wobei ein Gasstrom, enthaltend kaltes inertes Gas, zum Lichtbogen geleitet wird, um eine schnelle Abkühlung des Dampfes zu erreichen und durch Nukleation erzeugte Silicium enthaltende Partikel in einem Gasstrom zu einem Kühlbereich außerhalb der gasdichten Kammer zu transportieren, wo eine weitere Abkühlung des Gasstroms erfolgt, wobei die Silicium enthaltenden Partikel schließlich vom Gas separiert werden.Process for the production of silicon-containing nano- and / or micrometer-sized particles, wherein an arc is generated in a gas-tight chamber between two or more electrodes made of silicon by means of high voltage, whereby silicon evaporates the electrode, a gas stream containing cold inert gas being used as the arc is conducted to achieve rapid cooling of the vapor and to transport nucleated silicon-containing particles in a gas stream to a cooling area outside the gas-tight chamber, where further cooling of the gas stream takes place, the silicon-containing particles finally being separated from the gas.

Description

Die Erfindung betrifft die Herstellung von Silicium enthaltenden Partikeln, die als Anodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden können.The invention relates to the production of silicon-containing particles which can be used as anode material in lithium-ion batteries.

Derzeit wird als Anodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien üblicherweise Graphit eingesetzt. Der Einsatz anderer Elektrodenmaterialien ist zusätzlich erforderlich, um den steigenden Anforderungen an Energie- und Leistungsdichte der Batterien genügen zu können. Dies gilt insbesondere auch für Batterien, die im Bereich der Elektromobilität, also in Elektro- und Hybridantrieben, zum Einsatz kommen sollen.Currently, graphite is commonly used as the anode material in lithium-ion batteries. The use of other electrode materials is additionally required in order to meet the increasing demands on energy and power density of the batteries. This is especially true for batteries that are to be used in the field of electric mobility, ie in electric and hybrid drives.

Als alternatives Anodenmaterial kommt Silicium in Frage. Im Vergleich zur Interkalation von Lithium in Graphit kann durch Silicium-haltige Anoden eine bis zu zehnfache gravimetrische und ein bis zu dreifache volumetrische Speicherkapazität erreicht werden.As an alternative anode material silicon comes into question. Compared to the intercalation of lithium into graphite, silicon-containing anodes can achieve up to ten times the gravimetric and one to three times the volumetric storage capacity.

Die Einlagerung von Lithium-Ionen in Silicium-Partikeln führt hierbei allerdings zu einer starken Volumenausdehnung. Dies kann die mechanische Stabilität der Zelle überlasten und zu einer erhöhten Abnahme der Zyklen-Stabilität sowie der Ratenfähigkeit führen.However, the incorporation of lithium ions in silicon particles leads to a strong volume expansion. This can overload the mechanical stability of the cell and lead to an increased decrease of the cycle stability as well as the rate capability.

Durch maßgeschneiderte Silicium-Partikel mit einer nanoskaligen Silicium-Primärstruktur kann dies unterbunden werden, siehe z. B. Zhou et al, „Controlled Li doping of Si nanowires by electrochemical insertion method”, Applied Physics Letters, Vol. 75, No. 16, p. 2447–2449 (18 Oktober 1999) .By tailored silicon particles with a nanoscale silicon primary structure this can be prevented, see, for. B. Zhou et al, "Controlled Li doping of Si nanowires by Electrochemical Insertion Method", Applied Physics Letters, Vol. 16, p. 2447-2449 (18 October 1999) ,

Alternativ zu nanoskaligen Silicium-Partikeln können auch Siliciumsuboxide (SiOx, x < 2) als Anodenmaterial für Lithium-Ionenbatterien verwendet werden. Diese werden typischerweise im Bereich bis zu mehreren Mikrometern eingesetzt ( US2007/099436 A ).As an alternative to nanoscale silicon particles, silicon suboxides (SiOx, x <2) can also be used as the anode material for lithium-ion batteries. These are typically used in the range up to several micrometers ( US2007 / 099436 A ).

Zur Herstellung Silicium-haltiger Partikel kommt eine Reihe von Möglichkeiten in Betracht.For the production of silicon-containing particles, a number of possibilities come into consideration.

US20070099436 A1 zeigt ein Verfahren, in dem Silicium mittels Elektronenstrahl verdampft, durch Sauerstoff-Atmosphäre geleitet und so SiOx (0,2 < x < 0,9) auf einem Substrat im Größenbereich 0,5–20 μm abgeschieden wird. US20070099436 A1 shows a method in which silicon is vaporized by electron beam, passed through oxygen atmosphere and so SiOx (0.2 <x <0.9) is deposited on a substrate in the size range 0.5-20 microns.

Ein anderes Verfahren zur Herstellung von SiOx-Partikeln mit x < 1 wird in US20070254102 A1 beschrieben. Hierbei wird Silicium und Siliciummonoxid (SiO) aus zwei verschiedenen Quellen verdampft und an einem Substrat abgeschieden.Another method for producing SiO x particles with x <1 is described in US20070254102 A1 described. In this process, silicon and silicon monoxide (SiO) are vaporized from two different sources and deposited on a substrate.

Eine Möglichkeit zur Herstellung von SiOx-Partikeln mit x > 1 ist in US20020159941 A1 beschrieben. Hierbei wird SiO aus SiO2 und einem Reduktionsmittel, beispielsweise Silicium oder Kohlenstoff, bei 1100–1600°C verdampft, Sauerstoff zu dosiert und das Produkt auf einer gekühlten Oberfläche bei ca. 200–400°C abgeschieden.One possibility for producing SiO x particles with x> 1 is in US20020159941 A1 described. In this case, SiO is evaporated from SiO 2 and a reducing agent, for example silicon or carbon, at 1100-1600 ° C., oxygen is metered in and the product is deposited on a cooled surface at about 200-400 ° C.

Darüber hinaus können Silicium-haltige Nanopartikel beispielsweise aus gasförmigem Monosilan (SiH4) hergestellt werden.In addition, silicon-containing nanoparticles can be produced, for example, from gaseous monosilane (SiH4).

US2007/0172406 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Siliciumpulvers, bei dem kontinuierlich ein dampf- oder gasförmiges Silan, ein dampf- oder gasförmiger Dotierstoff und ein Inertgas in einen Reaktor überführt und dort gemischt werden, wobei der Anteil des Silans zwischen 0,1 und 90 Gew.-%, bezogen auf die Summe aus Silan, Dotierstoff und Inertgas, beträgt, wobei durch Energieeintrag mittels elektromagnetischer Strahlung im Mikrowellenbereich bei einem Druck von 10 bis 1100 mbar ein Plasma erzeugt wird, das Reaktionsgemisch abkühlt und das Reaktionsprodukt in Form eines Pulvers von den gasförmigen Stoffen abgetrennt wird. US2007 / 0172406 A1 discloses a process for producing a silicon powder in which a vaporous or gaseous silane, a vapor or gaseous dopant and an inert gas are continuously transferred to and mixed in a reactor, the proportion of the silane being between 0.1 and 90% by weight. %, based on the sum of silane, dopant and inert gas, is produced by energy input by means of electromagnetic radiation in the microwave range at a pressure of 10 to 1100 mbar a plasma, the reaction mixture cools and the reaction product in the form of a powder of the gaseous substances is separated.

Dabei entsteht ein aggregiertes, kristallines Silicium-Pulver, das eine BET-Oberfläche von mehr als 50 m²/g aufweist.This produces an aggregated, crystalline silicon powder which has a BET surface area of more than 50 m ² / g.

Eine solche Reaktion könnte auch in einem Heißwandreaktor durchgeführt werden, bei Temperaturen im Bereich von 1000°C.Such a reaction could also be carried out in a hot wall reactor at temperatures in the range of 1000 ° C.

Wegen der Gefahr der autokatalytischen Zersetzung ist ein solches Verfahren jedoch schwer zu handhaben und zudem aufwändig.Because of the risk of autocatalytic decomposition, however, such a process is difficult to handle and also expensive.

Eine andere Möglichkeit zur Herstellung nanoskaliger Partikel sieht vor, feste Ausgangsstoffe – wie Pulver – in einem Plasma zu verdampfen und anschließend definiert abzuscheiden. Mittels schneller Abkühlung bilden sich sehr feine Partikel aus. Für die Verdampfung von festem Silicium wird eine in etwa dreifach höhere Temperatur als im zuvor beschriebenen Monosilan-Prozess benötigt.Another possibility for producing nanoscale particles is to evaporate solid starting materials, such as powders, in a plasma and then to deposit them in a defined manner. By means of rapid cooling, very fine particles form. For the evaporation of solid silicon, an approximately three times higher temperature than in the previously described monosilane process is needed.

In US2007/0029291 A1 wird die Herstellung eines Nanopulvers beschrieben, bei dem ein Reaktionsmaterial einem Plasmabrenner, in dem ein Plasmafluss erzeugt wird, der eine ausreichend hohe Temperatur aufweist, zugeführt wird, um einen überhitzten Dampf von jenem Material zu erzeugen, wobei dieser Dampf mittels des Plasmaflusses in eine Quenchzone transportiert wird, wo ein kaltes Quenchgas in den Plasmafluss gerichtet wird, um eine erneuerbare gasförmige Kaltfront zu erzeugen, so dass an der Grenzfläche zwischen Kaltfront und Plasmafluss ein Nanopulver gebildet wird.In US2007 / 0029291 A1 For example, there is described the preparation of a nanopowder in which a reaction material is supplied to a plasma torch in which a plasma flux having a sufficiently high temperature is generated to produce a superheated vapor from that material, which vapor is quenched by the plasma flow where a cold quench gas is directed into the plasma flow to produce a renewable gaseous cold front such that nanopowder is formed at the interface between cold front and plasma flow.

US 2012/00201266 A1 offenbart einen Plasmareaktor enthaltend einen Brennerkörper umfassend einen Plasmabrenner, um ein Plasma zu erzeugen, einen Reaktorabschnitt, der einen Plasmafluss aus dem Brennerkörper aufnehmen kann und mit einem Quenchabschnitt verbunden ist, und wenigstens einen Heizer, der thermisch mit dem Reaktorabschnitt zusammenwirkt, wobei der Heizer vorgesehen ist, um die Temperatur im Reaktorabschnitt selektiv zu modulieren. US 2012/00201266 A1 discloses a plasma reactor including a burner body comprising a plasma torch for generating a plasma, a reactor section adapted to receive a plasma flow from the torch body and connected to a quench section, and at least one heater thermally cooperating with the reactor section, the heater provided is to selectively modulate the temperature in the reactor section.

Es ist vorgesehen, ein Precursormaterial dem Plasmabrenner zuzuführen und das Material zu verdampfen, das verdampfte Material einem Temperaturprofil auszusetzen, so dass es zur Nukleation von Partikeln aus dem verdampften Material kommt, das Temperaturprofil selektiv zu modulieren, und das nukleierte Material zu quenchen.It is contemplated to supply a precursor material to the plasma torch and vaporize the material, subject the vaporized material to a temperature profile such that nucleation of particles from the vaporized material will selectively modulate the temperature profile and quench the nucleated material.

Alternativ können zur Bereitstellung der benötigten Temperaturen und Energiedichten Lichtbogen-Plasmen verwendet werden.Alternatively, arc plasmas may be used to provide the required temperatures and energy densities.

Ein Lichtbogen ist eine sich selbst erhaltende Gasentladung zwischen zwei Elektroden, die eine ausreichend hohe elektrische Potentialdifferenz (= Spannung) aufweisen muss, um durch Stoßionisation die benötigte hohe Stromdichte aufrechtzuerhalten. Die Gasentladung bildet ein Plasma, in dem die Teilchen (Atome oder Moleküle) zumindest teilweise ionisiert sind.An arc is a self-sustaining gas discharge between two electrodes, which must have a sufficiently high electrical potential difference (= voltage) in order to maintain the required high current density by impact ionization. The gas discharge forms a plasma in which the particles (atoms or molecules) are at least partially ionized.

DE 10 2006 044 906 A1 offenbart einen Plasmabrenner, insbesondere zur Herstellung von Beschichtungen auf Oberflächen und/oder zur Herstellung von Nano-Pulvern, mit einer Mehrzahl von symmetrisch um eine Längsmittelachse des Brenners angeordneten Kathoden mit diese umgebenden Plasmagaszuführungen und einer zentrisch zur Mittelachse stromabwärts angeordneten Sammelanode zur Erzeugung einer entsprechenden Anzahl von Lichtbögen zwischen den Kathoden und der Sammelanode sowie mit einer zentrischen Werkstoffzuführung, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste, die Werkstoffzuführung wenigstens teilweise umströmende Sekundärgasströmung zur Fokussierung der Werkstoffeindüsung in das Zentrum des erzeugten Plasmas vorgesehen ist. DE 10 2006 044 906 A1 discloses a plasma torch, in particular for the production of coatings on surfaces and / or for the production of nano-powders, with a plurality of symmetrically arranged around a longitudinal central axis of the burner cathodes with these surrounding plasma gas supplies and a central to the central axis downstream collecting anode to produce a corresponding number of arcs between the cathodes and the collecting anode and with a central material supply, characterized in that a first, the material supply at least partially flowing around the secondary gas flow is provided for focusing the material injection into the center of the generated plasma.

Ebenso offenbart ist ein Verfahren zur Erzeugung von Partikeln zur Beschichtung von Oberflächen und/oder zur Herstellung von Nano-Pulverpartikeln, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem zuvor beschriebenen Plasmabrenner zunächst eine geringe Zündspannung zwischen den Kathoden und der ersten Sammelanode angelegt wird, nach Zündung des jeweiligen Lichtbogens die Zuführung des Plasmagases (Primärgases) gesteigert wird und eine Überführung des Lichtbogens an die zweite Sammelanode durch Erhöhung der anliegenden zweiten Anodenspannung vorgenommen wird.Also disclosed is a method for producing particles for coating surfaces and / or for producing nano-powder particles, characterized in that in a previously described plasma torch first a low ignition voltage between the cathodes and the first collecting anode is applied after ignition of the respective Arc, the supply of the plasma gas (primary gas) is increased and a transfer of the arc is made to the second collecting anode by increasing the applied second anode voltage.

DE 10 2011 002 183 A1 beansprucht eine Vorrichtung zur plasmagestützten Herstellung nanoskaliger Partikel und/oder zur Beschichtung von Oberflächen mit einer Prozesskammer, die Elektroden zur Erzeugung eines Lichtbogens A, B aufweist und mit wenigstens einer Gaszuführung und wenigstens einer Materialzuführung zur Erzeugung eines Gas- und Materialstroms C in der Prozesskammer verbunden ist, wobei wenigstens eine erste Elektrode stromaufwärts und wenigstens eine zweite Elektrode stromabwärts voneinander beabstandet angeordnet sind, die zur Erzeugung eines ersten Lichtbogens A unterschiedliche Polaritäten aufweisen und eine erste Heizzone bilden, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine dritte Elektrode mit derselben Polarität wie die erste Elektrode stromabwärts von der zweiten Elektrode angeordnet ist derart, dass zwischen der zweiten und dritten Elektrode ein zweiter Lichtbogen B erzeugbar ist und die zweite und dritte Elektrode eine zweite Heizzone bilden. DE 10 2011 002 183 A1 claims a device for plasma-based production of nanoscale particles and / or for coating surfaces with a process chamber having electrodes for generating an arc A, B and connected to at least one gas supply and at least one material supply for generating a gas and material flow C in the process chamber is, wherein at least one first electrode upstream and at least one second electrode are arranged downstream spaced apart, which have different polarities for generating a first arc A and form a first heating zone, characterized in that at least one third electrode having the same polarity as the first electrode is arranged downstream of the second electrode such that between the second and third electrode, a second arc B is generated and the second and third electrode form a second heating zone.

Ebenso ist offenbart ein Verfahren zur plasmagestützten Herstellung nanoskaliger Partikel und/oder zur Beschichtung von Oberflächen, bei denen in einer Prozesskammer zwischen unterschiedlich polarisierten Elektroden ein erster Lichtbogen A zur Bildung einer ersten Heizzone erzeugt und die erste Heizzone durch eine zweite Heizzone verlängert wird, die durch Erzeugung eines zweiten Lichtbogens B gebildet wird, wobei der erste und zweite Lichtbogen A, B gleichzeitig brennen, der ersten und zweiten Heizzone ein Gas zur Erzeugung eines Plasmas zugeführt und Material im Plasma verdampft wird.Also disclosed is a method for plasma-assisted production of nanoscale particles and / or for coating surfaces in which a first arc A is generated in a process chamber between differently polarized electrodes to form a first heating zone and the first heating zone is extended by a second heating zone through Forming a second arc B is formed, wherein the first and second arc A, B burn simultaneously, the first and second heating zone, a gas supplied to generate a plasma and material is evaporated in the plasma.

In die Heizzonen wird mit Hilfe eines Träger-Gasstromes Pulver eingebracht, welches verdampft und nach Durchlaufen der Heizzonen in kälteren Bereichen, ggf. unter Zuhilfenahme einer Kaltgasquenche, als ultrafeine Partikel ausfällt. Der Umsatz des pulverförmigen Precursors ist hierbei unter anderem durch die hohe Viskosität der Lichtbögen limitiert. Durch diese kann nicht beliebig viel Feststoff in die Lichtbögen eingebracht werden.Powder is introduced into the heating zones with the aid of a carrier gas stream, which powder evaporates and precipitates as ultrafine particles after passing through the heating zones in colder areas, if appropriate with the aid of a cold gas quench. The conversion of the pulverulent precursor is limited, inter alia, by the high viscosity of the arcs. Through this can not be introduced any amount of solid in the arcs.

Eine weitere Vorrichtung zur Herstellung ultrafeiner Partikel ist in US 4732369 A beschrieben. Hierbei wird mit Hilfe von Lichtbögen Material aus der Feststoffphase direkt verdampft und durch einen auf den Lichtbogen gerichteten Gasstrom abgekühlt. Weiter ist eine Nachheizzone mit induktiver Heizung aufgeführt.Another device for producing ultrafine particles is in US 4732369 A described. In this case, material from the solid phase is directly vaporized by means of arcs and cooled by a gas flow directed onto the arc. Furthermore, a reheating zone with inductive heating is listed.

Im Stand der Technik wird das Ausgangsmaterial in Pulverform in ein Trägergas eingebracht und so im Reaktor bereitgestellt. Für großtechnische Anwendungen sind diese Arten der Bereitstellung des Ausgangsmaterials von Nachteil.In the prior art, the starting material is introduced in powder form into a carrier gas and thus provided in the reactor. For large-scale applications, these ways of providing the starting material are disadvantageous.

Die Versorgung der Anlagen erfolgt meist mittels Gleichstrom- oder hochfrequenten Quellen, was deren Wirkungsgrad relativ niedrig hält. Denkbar ist es auch, die Energie durch eine Entladung eines Kondensators bereitzustellen. Diese Methode der Versorgung ist ebenfalls großtechnisch schwer realisierbar und hat einen geringen Wirkungsgrad zur Folge. The supply of the plants is usually done by means of DC or high-frequency sources, which keeps their efficiency relatively low. It is also conceivable to provide the energy by means of a discharge of a capacitor. This method of supply is also difficult to realize on a large scale and has a low efficiency result.

Eine weitere Vorrichtung zum Verdampfen mittels eines Lichtbogens wird in DE 42 23 592 C2 beschrieben, nämlich eine Lichtbogen-Verdampfungsvorrichtung zum Verdampfen eines an einer Kathode anliegenden Targets mittels zumindest eines durch einen von einem Lichtbogenstrom einer Stromquelle erzeugten Lichtbogenspots, welche zum Richten und Bewegen des Lichtbogenspots auf der Targetoberfläche mittels eines äußeren Magnetfeldes eine Magnetspule hat und bei der das Target in eine an die Anode angeschlossene Vakuumkammer ragt, gekennzeichnet durch Mittel zum Einstellen des äußeren Magnetfeldes (Bs) auf den jeweiligen Wert des Eigenmagnetfeldes des Lichtbogenstroms (Bi) und dadurch, dass die Feldstärke des äußeren Magnetfeldes einen Wert von 10^–3 T nicht übersteigt.Another device for vaporization by means of an arc is in DE 42 23 592 C2 that is, an arc evaporation device for evaporating a target applied to a cathode by means of at least one arc spot generated by an arc current of a current source having a magnetic coil for directing and moving the arc spot on the target surface by means of an external magnetic field and at which the target in a connected to the anode vacuum chamber, characterized by means for adjusting the external magnetic field (Bs) to the respective value of the intrinsic magnetic field of the arc current (Bi) and in that the field strength of the external magnetic field does not exceed a value of 10 ^-3 T.

Hierin wird die Richtwirkung eines Magnetfeldes auf den Lichtbogen angewandt um einen örtlich gewünschten Kathodenfleck zu erhalten.Herein, the directivity of a magnetic field is applied to the arc to obtain a locally desired cathode spot.

Die Aufgabe der Erfindung bestand darin, ein großtechnisches und wirtschaftliches Verfahren zur Herstellung feiner Silicium enthaltender Partikel bereitzustellen.The object of the invention was to provide a large-scale and economical process for producing fine silicon-containing particles.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von Silicium enthaltenden nano- und/oder mikrometerskaligen Partikeln, wobei in einer gasdichten Kammer zwischen zwei Elektroden aus Silicium mittels Hochspannung ein Lichtbogen erzeugt wird, wodurch Silicium der Elektrode verdampft, wobei ein Gasstrom, enthaltend kaltes inertes Gas, zum Lichtbogen geleitet wird, um eine schnelle Abkühlung des Dampfes zu erreichen und durch Nukleation erzeugte Silicium enthaltende Partikel in einem Gasstrom zu einem Kühlbereich außerhalb des gasdichten Kammer zu transportieren, wo eine weitere Abkühlung des Gasstroms erfolgt, wobei die Silicium enthaltenden Partikel schließlich vom Gas separiert werden.This object is achieved by a method for producing silicon-containing nano- and / or micrometer-scale particles, wherein in a gas-tight chamber between two electrodes of silicon by means of high voltage an arc is generated, whereby silicon of the electrode evaporates, wherein a gas stream containing cold inert Gas, is passed to the arc, in order to achieve a rapid cooling of the vapor and transported by nucleation generated silicon containing particles in a gas stream to a cooling area outside the gas-tight chamber, where a further cooling of the gas stream, wherein the silicon-containing particles finally from Gas to be separated.

Bei den Silicium enthaltenden Partikeln kann es sich um Siliciumoxid- oder um Silicium-Partikel im Größenbereich 10 nm–100 μm, insbesondere 20 nm–50 μm, handeln. Silicium kann dotiert und undotiert sein. Die Partikel können auch beschichtet sein.The silicon-containing particles may be silicon oxide particles or silicon particles in the size range 10 nm-100 μm, in particular 20 nm-50 μm. Silicon can be doped and undoped. The particles can also be coated.

Abweichend vom Stand der Technik bestehen die Elektroden aus Silicium und stellen das Precursor-Material für die Partikelerzeugung dar. Dabei kann es sich um einen Siliciumstab handeln, insbesondere um einen Stab aus polykristallinem Silicium, wie er durch Abscheidung auf Trägerkörpern im sog. Siemens-Prozess resultiert.Notwithstanding the prior art, the electrodes are made of silicon and represent the precursor material for particle generation. This may be a silicon rod, in particular a rod made of polycrystalline silicon, as by deposition on carrier bodies in the so-called Siemens process results.

Das Silicium der Elektroden wird mittels einem, zwischen den Elektroden erzeugten Lichtbogens verdampft. Damit während des Prozess ausreichend Precursormaterial in der Nähe des Lichtbogens vorhanden ist, ist es bevorzugt, die Elektrode aus Silicium mechanisch nachzuführen. Die Nachführung der Elektrode lässt sich automatisieren. Zu gegebener Zeit wird entweder ein zweiter Siliciumstab an die teilweise verbrauchte Elektrode angeschweißt oder eine neue Elektrode installiert und der Lichtbogen neu gezündet.The silicon of the electrodes is vaporized by means of an arc generated between the electrodes. In order for sufficient precursor material to be present in the vicinity of the arc during the process, it is preferable to mechanically track the electrode made of silicon. The tracking of the electrode can be automated. In due course, either a second silicon rod is welded to the partially spent electrode or a new electrode is installed and the arc re-ignited.

Neben den Elektroden aus Silicium kann Precursormaterial auch in anderer Form bereitgestellt werden. Dabei kann es sich um Siliciumbruchstücke, Siliciumpulver, Siliciumdioxidbruchstücke, Siliciumdioxidpulver oder einem Gemisch aus Silicium und Siliciumdioxid handeln, die beispielsweise – während sie sich in einem Tiegel befinden – in die Nähe des Lichtbogens gebracht werden. Der Tiegel kann elektrisch leitfähig sein. Aus den Bruchstücke und/oder dem Pulver kann eine Schmelze erzeugt, vorzugsweise, in dem der Lichtbogen magnetisch in Richtung Tiegel gelenkt wird.In addition to the silicon electrodes, precursor material can also be provided in another form. These may be silicon fragments, silicon powder, silicon dioxide fragments, silica powder or a mixture of silicon and silicon dioxide, for example, which are brought into the vicinity of the arc while in a crucible. The crucible can be electrically conductive. From the fragments and / or the powder, a melt can be generated, preferably, in which the arc is magnetically directed in the direction of the crucible.

Sind Tiegel und Schmelze elektrisch leitfähig, wirken sie wie eine zusätzliche Elektrode.If crucible and melt are electrically conductive, they act like an additional electrode.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung besteht in der einfachen Einbringung des Precursormaterials (Silicium und Siliciumdioxid).The essential advantage of the invention consists in the simple introduction of the precursor material (silicon and silicon dioxide).

Die Einbringung erfolgt überwiegend direkt, durch Verdampfen der Elektroden.The introduction takes place predominantly directly, by evaporation of the electrodes.

Dies ermöglicht es, das Ausgangsmaterial ohne Fremdkontamination zu verdampfen.This makes it possible to evaporate the starting material without foreign contamination.

Eine separate Hochspannungszündquelle vermindert den Aufwand für die elektrische Versorgung.A separate Hochspannungszündquelle reduces the cost of the electrical supply.

Die spezielle Anordnung der Elektroden ermöglicht darüber hinaus eine Verwendung bewährter und konventioneller Stromversorgungstechnik, die im Vergleich zur HF-Plasmaerzeugung wesentlich weniger aufwändig ist und vor allem höhere elektrische Wirkungsgrade erreichen kann.The special arrangement of the electrodes also allows a use of proven and conventional power supply technology, which is much less expensive compared to the RF plasma generation and above all can achieve higher electrical efficiencies.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von 1–3 erläutert.The invention is described below with reference to 1 - 3 explained.

Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS

11

Elektrodeelectrode

22

Düsenjet

33

Reflektierender SchirmReflective screen

44

Kammerchamber

55

Finaler AbkühlbereichFinal cooling area

66

Pumpepump

77

Düsenjet

88th

LichtbogenElectric arc

99

Kühlbereichcooling area

1010

SpuleKitchen sink

1111

Schmelzemelt

1212

Tiegelcrucible

1313

Finaler AbkühlbereichFinal cooling area

1 zeigt den prinzipiellen Aufbau der Stromversorgung. 1 shows the basic structure of the power supply.

Die Versorgung des Systems C wird durch eine oder mehrere regelbare Gleich-/frequenzvariable Wechselstromquellen A vorgenommen. Die Regelung der Quellen wird durch Messung verschiedener Prozessparameter erreicht.The supply of the system C is made by one or more controllable DC / frequency variable AC power sources A. The regulation of the sources is achieved by measuring various process parameters.

Die Zündung des Lichtbogens im System C wird durch eine oder mehrere der Stromversorgung A parallel geschaltete Hochspannungsquellen B erreicht. Diese Quellen dienen dazu, den Lichtbogen zu zünden. Sie übernehmen weiter keine Versorgungsaufgaben. Sollte der Lichtbogen im Prozess erlöschen, wird eine erneute Zündung vorgenommen.The ignition of the arc in the system C is achieved by one or more of the power supply A parallel high voltage sources B. These sources serve to ignite the arc. They continue to take over no care tasks. If the arc goes out during the process, re-ignition will occur.

2 zeigt den schematischen Aufbau einer bevorzugten Vorrichtung, bei der Siliciumstäbe als Elektroden zum Einsatz kommen. 2 shows the schematic structure of a preferred device in which silicon rods are used as electrodes.

3 zeigt den schematischen Aufbau, wenn abweichend von 2 zusätzlich Si-Bruchstücke oder -pulver als Ausgangsmaterial verwendet werden. 3 shows the schematic structure, if different from 2 In addition Si fragments or powder can be used as starting material.

Die Anordnung zur Verdampfung und Kondensation wird durch eine gasdichte Kammer 4 umgeben, in der sich ein Inert-Gas befindet. Das Inert-Gas ist so gewählt, dass keine Oxidation des Ausgangsmaterials erfolgt.The arrangement for evaporation and condensation is through a gas-tight chamber 4 surrounded, in which there is an inert gas. The inert gas is chosen so that no oxidation of the starting material takes place.

Die Kammer 4 wird temperaturgeregelt beheizt und/oder gekühlt. Die Heizung erfolgt elektrisch, beispielsweise mittels Infrarotstrahler oder Widerstandsheizern.The chamber 4 is heated temperature controlled and / or cooled. The heating is done electrically, for example by means of infrared heaters or resistance heaters.

Die Temperatur in der Kammer 4 wird überwacht und so eingestellt, dass sich beim Ausgangsmaterial Eigenleitung, also erhöhte Leitfähigkeit einstellt. Alternativ kann das Ausgangsmaterial auch direkt auf eine hinreichende Eigenleitfähigkeit beheizt werden.The temperature in the chamber 4 is monitored and adjusted so that the starting material intrinsic, ie increased conductivity adjusts. Alternatively, the starting material can also be heated directly to a sufficient intrinsic conductivity.

Bei Verwendung von polykristallinem Silizium als Ausgangsmaterial ist der angestrebte Temperaturbereich der Elektroden zwischen 200–400°C, vorzugsweise bei 310°C.When using polycrystalline silicon as the starting material, the desired temperature range of the electrodes is between 200-400 ° C, preferably at 310 ° C.

Bei Verwendung von FeSi oder dotiertem Silicium kann bei genügend hoher Eigenleitfähigkeit bei Raumtemperatur auf eine zusätzliche Beheizung verzichtet werden.When using FeSi or doped silicon can be dispensed with at sufficiently high intrinsic conductivity at room temperature on an additional heating.

Im Prozessverlauf kann die Zuführung der Wärmeenergie gedrosselt und die Abwärme des Lichtbogens 8 in der Kammer 4 verwendet werden, um die Kammer 4 bzw. das Ausgangsmaterial auf einer bestimmen Temperatur zu halten. Das Ausgangsmaterial liegt als Halbleitermaterial, beispielsweise Silicium vor.In the course of the process, the supply of heat energy can be throttled and the waste heat of the arc 8th in the chamber 4 used to the chamber 4 or to keep the starting material at a certain temperature. The starting material is present as semiconductor material, for example silicon.

Das Ausgangsmaterial kann in verschiedenen Formen dem Prozess zugeführt werden. Festkörper in Stabform und oder in Bruchform/Pulver/Granulat seien hier genannt.The starting material can be supplied to the process in various forms. Solid bodies in rod form and / or in fracture form / powder / granules are mentioned here.

Wird Material in Bruchform/Pulver/Granulat eingebracht kann dieses auch aus einem Nichtleiter, z. B. SiO2 bestehen.If material in fracture form / powder / granules introduced this can also be made of a non-conductor, z. B. SiO2 exist.

Die Einbringung des Ausgangsmateriales wird durch geregelte Zuführung (Nachschub) von mindestens einer Elektrode 1 und/oder der mechanischen Zuführung von Tiegel 12 mit Bruch oder Pulver erreicht.The introduction of the starting material is controlled by supply (replenishment) of at least one electrode 1 and / or the mechanical feeding of crucibles 12 achieved with breakage or powder.

Die Elektroden 1 sind gegeneinander so ausgerichtet, dass sich ein optimaler Bereich für die Verdampfung und Kondensation ergibt.The electrodes 1 are aligned against each other so that there is an optimum range for evaporation and condensation.

Weiter wird durch Düsen 2 ein kaltes Inert-Gas direkt auf den Lichtbogen 8 geleitet. Die Strömungsgeschwindigkeiten um den Lichtbogenbereich liegen dabei zwischen 0,1–20 m/s vorzugsweise bei 2 m/s. Das am Lichtbogen auftreffende, gerichtete Gas hat eine Temperatur im Bereich von 20–400°C, vorzugweise unter 200°C.Next is through nozzles 2 a cold inert gas directly on the arc 8th directed. The flow velocities around the arc range are between 0.1-20 m / s, preferably at 2 m / s. The incident gas at the arc has a temperature in the range of 20-400 ° C, preferably below 200 ° C.

Das Gas bewirkt eine schnelle Abkühlung und transportiert die entstandenen Partikel/Dämpfe in einen weiteren Kühlbereich 9.The gas causes rapid cooling and transports the resulting particles / vapors into another cooling area 9 ,

Durch die magnetische Blaswirkung des Lichtbogens 8 entsteht ebenfalls ein gewisser Transporteffekt welcher in Richtung der Gasströmung wirkt.Due to the magnetic blowing effect of the arc 8th also creates a certain transport effect which acts in the direction of the gas flow.

Alternativ können dem Inert-Gas reaktive Gase, z. B. Sauerstoff, in unter- und überstoichiometrischer Menge zudosiert werden.Alternatively, inert gases may be added to the inert gas, e.g. As oxygen, are added in sub-and superstoichiometric amount.

Somit ist es möglich auch sauerstoffhaltige Si-Partikel, SiOx, 0 ≤ x ≤ 2 zu erzeugen.Thus, it is also possible to produce oxygen-containing Si particles, SiOx, 0 ≦ x ≦ 2.

Der abgesetzte Kühlbereich 9 wird zur weiteren Kondensation und Abkühlung des verdampften Materials und Gasstromes verwendet. The remote cooling area 9 is used for further condensation and cooling of the vaporized material and gas stream.

In dieser Zone wird schräg und nahe der Wandung über Düsen 7 kaltes Inert Gas eingeströmt.In this zone is diagonally and near the wall via nozzles 7 cold inert gas flowed in.

Die der Wandung nahe Gasschicht sowie die zur Mitte gerichtete Strömung, verhindern weitgehendste Abscheidungen an der Wandung.The wall near the gas layer and the flow directed to the center, prevent most extensive deposits on the wall.

Das Inertgas kann aus einem finalen Abkühlbereich 5 mittels einer Pumpe 6 der gasdichten Kammer 4 sowie den Kühldüsen des Systems wieder zugeführt werden.The inert gas may come from a final cooling zone 5 by means of a pump 6 the gastight chamber 4 and the cooling nozzles of the system are returned.

Die Trennung der Partikel vom Gasstrom wird im oder nach dem finalen Abkühlbereich 13 durchgeführt.The separation of the particles from the gas stream becomes in or after the final cooling zone 13 carried out.

Dabei werden die Partikel mit speziellen Separatoren (mechanisch, elektrostatisch) oder mit Hilfe einer Nassabscheidung vom Gasstrom separiert.The particles are separated from the gas stream by special separators (mechanical, electrostatic) or by wet separation.

Um den Bereich des Lichtbogens 8 wird ein reflektierender Schirm 3 platziert, welcher die thermische Strahlung zum Lichtbogenbereich 8 reflektiert. Im Schirm 3 können sich ferner Einlässe für Inert-Gas befinden, welches ein Beschichten des Schirmes 3 verhindert.Around the area of the arc 8th becomes a reflective screen 3 placed, which the thermal radiation to the arc region 8th reflected. In the screen 3 may also be inlets for inert gas, which is a coating of the screen 3 prevented.

Die Vorrichtung kann erweitert werden/abgewandelt werden, um auch Granulat, Pulver oder Bruch zu verdampfen. Hierbei kann auch Siliciumdioxid als Feststoffmaterial eingesetzt werden, wodurch SiOx (0 ≤ x ≤ 2) synthetisiert werden können.The device can be extended / modified to vaporize also granules, powder or breakage. Here, silica may also be used as the solid material, whereby SiOx (0 ≤ x ≤ 2) can be synthesized.

Dabei wird in einem Tiegel 12 das Ausgangsmaterial in Form von Granulat, Bruch oder Pulver durch den Lichtbogen 8 zum Schmelzen und Verdampfen gebracht. Im Ausgangsmaterial bildet sich ein Bereich mit einer Schmelze 11 aus, welcher durch das Ausgangsmaterial thermisch isoliert ist. Ein Stromfluss über die Schmelze zum Tiegel 12 ist möglich, somit kann das Ausgangsmaterial als dritte Elektrode verwendet werden.This is done in a crucible 12 the starting material in the form of granules, breakage or powder through the arc 8th brought to melting and evaporation. The starting material forms an area with a melt 11 which is thermally isolated by the starting material. A current flow over the melt to the crucible 12 is possible, thus, the starting material can be used as a third electrode.

Die Ablenkung des Lichtbogens 8 in die Schmelze kann durch ein erzeugtes Magnetfeld und oder durch Neigen der Elektroden erfolgen. Es wird gegebenenfalls eine Spule 10 so platziert, dass der Lichtbogen 8 entsprechend dem erzeugten Feld abgelenkt wird.The deflection of the arc 8th into the melt can be done by a generated magnetic field and or by tilting the electrodes. It will possibly be a coil 10 placed so that the arc 8th is deflected according to the generated field.

Durch eine Versorgung mittels einer oder mehrerer Wechselstromquellen/Gleichstromquellen mit einer oder mehrerer parallelgeschalteten Zündquellen ergeben sich erhebliche Vereinfachungen in der Leistungsversorgung. Das Zünden des Lichtbogens 8 erfordert eine sehr hohe Spannung. Nach der Zündung vermindert sich die benötigte Lichtbogenspannung drastisch. Werden die Zündquelle und die Versorgung entkoppelt, kann die Leistungsversorgung auf den Bereich eines leitfähigen Lichtbogens ausgelegt werden. Die Leistungsversorgung ist somit im Bereich konventioneller und gebräuchlicher Stromversorgungstechnik.Supplying by means of one or more AC sources / DC sources with one or more ignition sources connected in parallel results in considerable simplifications in the power supply. The ignition of the arc 8th requires a very high voltage. After ignition, the required arc voltage decreases drastically. If the ignition source and the supply are decoupled, the power supply can be designed for the area of a conductive arc. The power supply is thus in the field of conventional and conventional power supply technology.

Durch die Anwendung einer mehrphasigen Quelle erlischt der Lichtbogen 8 nicht mehr vollständig im Stromnulldurchgang wie beim zweiphasigen Wechselstrom. Es bleibt immer ein leitfähiger und heißer Bereich des Lichtbogens 8 vorhanden. Notwendige Neuzündungen werden somit vermieden. Ebenfalls ergibt sich eine symmetrische Belastung des Versorgungsnetzes. Es können Standard-Drehstromkomponenten verwendet werden.By using a multiphase source, the arc goes out 8th not completely in the current zero crossing as in the two-phase alternating current. It always remains a conductive and hot area of the arc 8th available. Necessary reignitions are thus avoided. Also results in a symmetrical load on the supply network. Standard three-phase components can be used.

Durch die Verwendung einer frequenzvariablen Quelle können die Leistungsoszillationen aufgrund der Verwendung von Wechselspannung ausgeglichen oder verwendet werden, um den Prozess optimal ablaufen zu lassen.By using a variable frequency source, the power oscillations due to the use of AC voltage can be balanced or used to optimally run the process.

Die Anordnung von mehreren, mindestens zwei Elektroden 1, welche in einer Kammer zueinander horizontal/vertikal versetzt sind, ermöglicht die Verwendung von mehrphasigen Quellen und eine variablen Platzierung der Elektroden 1, um einen optimalen Lichtbogen 8 zu erhalten.The arrangement of several, at least two electrodes 1 , which are horizontally / vertically offset in a chamber to each other, allows the use of multi-phase sources and a variable placement of the electrodes 1 to get an optimal arc 8th to obtain.

Die Anordnung von mehreren, mindestens zwei Elektroden 1 in einer Kammer 4, welche zueinander um unterschiedliche Winkel in horizontaler und vertikaler Richtung geneigt sind, ermöglicht die Verwendung von mehrphasigen Quellen.The arrangement of several, at least two electrodes 1 in a chamber 4 , which are inclined to each other by different angles in the horizontal and vertical directions, allows the use of multi-phase sources.

Zudem können die Elektroden 1 derart platziert werden, dass ein optimaler Lichtbogen 8 erhalten wird. Ebenfalls wird das verdampfte Material, bzw. ein induzierter Gasstrom, durch die Neigung des Lichtbogens 8 und resultierende magnetische Abstoßung, gezielt von den Elektroden 1 weg „geblasen”. Dieser Effekt wird genutzt, um die heiße Zone vor den Elektroden 1 zu erzeugen und er befördert das verdampfte Ausgangsmaterial schneller in den Kühlbereich 9.In addition, the electrodes can 1 be placed so that an optimal arc 8th is obtained. Also, the vaporized material, or an induced gas flow, by the inclination of the arc 8th and resulting magnetic repulsion, targeted by the electrodes 1 blown away. This effect is used to move the hot zone in front of the electrodes 1 and he promotes the vaporized starting material faster in the cooling area 9 ,

Durch variable Einstellung des Neigungswinkels kann ein magnetischer Transporteffekt eingestellt werden. In Kombination mit dem Gasdurchfluss kann hiermit der Produkttransport in die gewünschte Richtung gesteuert werden.By variable adjustment of the inclination angle, a magnetic transport effect can be set. In combination with the gas flow, the product transport can be controlled in the desired direction.

Das Einbringen eines Ausgangsmaterials mittels einer oder mehrerer nachgeführter stabförmiger Elektroden 1 ermöglicht die einfache Zuführung des Ausgangsmaterials als Voll- oder Hohlelektrode.The introduction of a starting material by means of one or more tracked rod-shaped electrodes 1 allows easy feeding of the starting material as a solid or hollow electrode.

Hierbei kann die Elektrode aus nicht-dotiertem Si, dotiertem Si sowie aus FeSi bestehen. Dotierungen können sich für die spätere Anwendung, z. B. in Lithium-Ionen-Batterien, als vorteilhaft darstellen. Here, the electrode may consist of non-doped Si, doped Si and FeSi. Dopants may be suitable for later use, eg. As in lithium-ion batteries, as advantageous.

Die Gaszuführung kann durch eine hohle Elektrode 1 direkt an/in den Lichtbogen 8 verlagert werden, um eine schnelle Abschreckung der abgelösten Stoffe zu erhalten. Weiter werden die Elektroden 1 durch das durchströmende Gas gekühlt. Zusätzlich ist eine Erwärmung der Elektroden 1 am Prozessbeginn durch die Zuführung eines heißen Gases möglich.The gas supply can be through a hollow electrode 1 directly on / in the arc 8th be relocated in order to obtain a quick deterrence of the detached substances. Next are the electrodes 1 cooled by the gas flowing through. In addition, heating of the electrodes 1 at the beginning of the process by supplying a hot gas possible.

Durch die Zugabe von Pulvern in das eingebrachte (Quench-)Gas kann die überschüssige Wärme des Lichtbogens 8 zur Verdampfung von zusätzlichem Feststoff genutzt werden. Die eingebrachten Partikel können hierbei auch aus zu den Elektroden 1 verschiedenem Material bestehen. Hierbei kann auch eine Reaktion und/oder ein Coating des zusätzlich eingebrachten Materials mit dem verdampften Elektrodenmaterial erreicht werden.Adding powders to the quench gas can remove the excess heat from the arc 8th be used for the evaporation of additional solid. The introduced particles can also be from the electrodes 1 consist of different material. In this case, a reaction and / or a coating of the additionally introduced material can be achieved with the evaporated electrode material.

Die Elektroden 1 haben eine endliche Länge, daher ist nach einer gewissen Zeit die Elektrode 1 verdampft. Das Verbinden mit der nachfolgenden Elektrode 1 ist aufwendig, deshalb wird ein Reststück als Verlust in den Reaktor geschoben. Es wird eine neue Elektrode 1 eingeführt und neu gezündet. Um diesen Vorgang zu automatisieren, werden die Elektroden 1 vorzugsweise in einem Magazin oder Behälter zur Nachführung bereitgestellt.The electrodes 1 have a finite length, therefore, after a certain time, the electrode 1 evaporated. Connecting to the following electrode 1 is expensive, so a remnant is pushed as a loss in the reactor. It will be a new electrode 1 introduced and re-ignited. To automate this process, the electrodes become 1 preferably provided in a magazine or container for tracking.

Das Verbinden der nachfolgenden Elektroden 1 ist für einen kontinuierlichen Prozess zu bevorzugen. Dazu wird bei geeigneter Temperatur, z. B. mit Hilfe von hohem Strom oder einer Entladung, eine nachgeführte Elektrode 1 an die vorherige automatisch angeschweißt.Connecting the following electrodes 1 is preferable for a continuous process. This is done at a suitable temperature, for. B. with the help of high current or a discharge, a tracking electrode 1 welded to the previous one automatically.

Die Nachführung der Elektroden 1 ist essentiell für die Einstellung der Länge des Lichtbogens B. Durch die Länge des Lichtbogens 8 werden die notwendige Lichtbogenspannung, der Lichtbogenstrom sowie die daraus resultierende Leistung vorgegeben. Es wird durch Messung von Größen wie Strom, Spannung und Leistung eine Quasi-Regelung der Nachführung der Elektroden 1 entsprechend des Abtrages erreicht.The tracking of the electrodes 1 is essential for adjusting the length of the arc B. By the length of the arc 8th The required arc voltage, the arc current and the resulting power are specified. It is by measuring quantities such as current, voltage and power a quasi-control of the tracking of the electrodes 1 achieved according to the deduction.

Zusätzlich zu den konventionellen Messgrößen des Prozesses kann eine optische Messung der Abmessungen sowie der Intensität und der emittierten Wellenlänge des Lichtbogens 8 für die Regelung herangezogen werden. Weiter können die Elektroden 1 optisch vermessen und die Nachführung ebenfalls entsprechend dem Abtrag geregelt werden.In addition to the conventional measures of the process can be an optical measurement of the dimensions and the intensity and the emitted wavelength of the arc 8th be used for the regulation. Next, the electrodes can 1 optically measured and the tracking also be regulated according to the removal.

Zusätzlich kann festes Ausgangsmaterials in Form von Bruch, Granulat oder Pulver in einem Tiegel 12 unterhalb der Lichtbogenzone eingebracht werden.In addition, solid starting material may be in the form of breakage, granules or powder in a crucible 12 be introduced below the arc zone.

Siliciumpulver kann als thermischer Isolator und gleichzeitig als elektrischer Leiter beim Ausbilden von Schmelzen in Pulvern oder Granulaten verwendet werden.Silicon powder can be used as a thermal insulator and at the same time as an electrical conductor in forming melts in powders or granules.

Der Tiegel 12 kann als dritte Elektrode genutzt werden. Dabei wird die thermische Isolationseigenschaft des Pulvers genutzt, um die Schmelze im Pulver zu halten. Zugleich wird das Pulver als elektrischer Leiter verwendet.The crucible 12 can be used as a third electrode. The thermal insulation property of the powder is used to keep the melt in the powder. At the same time the powder is used as an electrical conductor.

Bevorzugt ist auch die magnetische Ablenkung des Lichtbogens 8 in oder über eine Schmelze mittels eines elektrisch erzeugten, separaten Magnetfeldes.Also preferred is the magnetic deflection of the arc 8th in or over a melt by means of an electrically generated, separate magnetic field.

Wird das im Tiegel 12 befindliche Material nicht als dritte Elektrode verwendet, kann der Lichtbogen 8 magnetisch so abgelenkt werden, dass sich im Tiegel 12 eine Schmelze ausbildet.Will that be in the pot 12 The material used can not be used as the third electrode, the arc 8th magnetically deflected so that in the crucible 12 forms a melt.

Ebenso bevorzugt ist eine thermische oder optische Anregung des Ausgangsmaterials bis in den Bereich hoher Leitfähigkeit.Likewise preferred is a thermal or optical excitation of the starting material into the region of high conductivity.

Um den Spannungsabfall an den Elektroden 1 zu minimieren und die größte mögliche Leistung am Lichtbogen 8 zu erhalten, wird das Silicium soweit erwärmt, dass es sich im Bereich seiner Eigenleitung befindet.To the voltage drop across the electrodes 1 minimize and the biggest possible power on the arc 8th To obtain the silicon is heated so far that it is in the range of its own conduction.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

• Zhou et al, „Controlled Li doping of Si nanowires by electrochemical insertion method”, Applied Physics Letters, Vol. 75, No. 16, p. 2447–2449 (18 Oktober 1999) [0005] Zhou et al, "Controlled Li doping of Si nanowires by Electrochemical Insertion Method", Applied Physics Letters, Vol. 16, p. 2447-2449 (18 October 1999) [0005]

Claims (12)

Verfahren zur Herstellung von Silicium enthaltenden nano- und/oder mikrometerskaligen Partikeln, wobei in einer gasdichten Kammer zwischen zwei oder mehreren Elektroden aus Silicium mittels Hochspannung ein Lichtbogen erzeugt wird, wodurch Silicium der Elektrode verdampft, wobei ein Gasstrom, enthaltendes kaltes inertes Gas, zum Lichtbogen geleitet wird, um eine schnelle Abkühlung des Dampfes zu erreichen und durch Nukleation erzeugte Silicium enthaltende Partikel in einem Gasstrom zu einem Kühlbereich außerhalb der gasdichten Kammer zu transportieren, wo eine weitere Abkühlung des Gasstroms erfolgt, wobei die Silicium enthaltenden Partikel schließlich vom Gas separiert werden.A method of making silicon-containing nano- and / or micrometer-scale particles, wherein an arc is generated in a gas-tight chamber between two or more silicon electrodes by high voltage whereby silicon of the electrode vaporizes, with a gas stream containing cold inert gas to the arc is passed to achieve a rapid cooling of the steam and to transport silicon-containing particles produced by nucleation in a gas stream to a cooling area outside the gas-tight chamber, where a further cooling of the gas stream takes place, wherein the silicon-containing particles are finally separated from the gas. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kammer vor Prozessbeginn mittels einer separaten Stromversorgung elektrisch beheizt wird.The method of claim 1, wherein the chamber is electrically heated before the start of the process by means of a separate power supply. Verfahren nach Anspruch 1 oder nach Anspruch 2, wobei die Elektroden aus polykristallinem Silicium, dotiertem oder undotiertem Silicium oder aus FeSi bestehen.A method according to claim 1 or claim 2 wherein the electrodes are polycrystalline silicon, doped or undoped silicon or FeSi. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zusätzlich ein Tiegel mit Siliciumbruchstücken, Siliciumpellets und/oder Siliciumpulver in die Kammer eingebracht, aus den Siliciumbruchstücken, Siliciumpellets und/oder Siliciumpulver eine Schmelze erzeugt wird und neben Elektrodenmaterial auch die Siliciumschmelze verdampft wird.Method according to one of claims 1 to 3, wherein in addition a crucible with silicon fragments, silicon pellets and / or silicon powder introduced into the chamber, from the silicon fragments, silicon pellets and / or silicon powder, a melt is generated and in addition to electrode material and the silicon melt is evaporated. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zusätzlich ein Tiegel mit Siliciumdioxidbruchstücken, Siliciumdioxidpellets und/oder Siliciumdioxidpulver in die Kammer eingebracht, aus den Siliciumdioxidbruchstücken, Siliciumdioxidpellets und/oder Siliciumdioxidpulver eine Schmelze erzeugt wird und neben Elektrodenmaterial auch die Schmelze mittels einer Wärmequelle verdampft wird.Method according to one of claims 1 to 3, wherein in addition a crucible with silicon dioxide fragments, silica pellets and / or silica powder introduced into the chamber, from the silicon dioxide fragments, silica pellets and / or silica powder, a melt is generated and in addition to electrode material and the melt is evaporated by means of a heat source , Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zusätzlich ein Tiegel mit Siliciumcarbidbruchstücken, Siliciumcarbidpellets und/oder Siliciumcarbidpulver in die Kammer eingebracht, aus den Siliciumcarbidbruchstücken, Siliciumcarbidpellets und/oder Siliciumcarbidpulver eine Schmelze erzeugt wird und neben Elektrodenmaterial auch die Schmelze mittels einer Wärmequelle verdampft wird.Method according to one of claims 1 to 3, wherein additionally introduced into a crucible with Siliziumcarbidbruchstücken, Siliziumcarbidpellets and / or Siliziumcarbidpulver in the chamber, from the silicon carbide fragments, Siliziumcarbidpellets and / or Siliziumcarbidpulver a melt is generated and in addition to electrode material and the melt is evaporated by means of a heat source , Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zusätzlich ein Tiegel mit Pulver-, Pellets- oder Bruchmischungen aus Si/SiO2/SiC oder Si/SiO2, Si/SiC, bzw. SiC/SiO2 in die Kammer eingebracht, aus den Mischungen eine Schmelze erzeugt wird und neben Elektrodenmaterial auch die Schmelze mittels einer Wärmequelle verdampft wird.Method according to one of claims 1 to 3, wherein additionally introduced a crucible with powder, pellet or fracture mixtures of Si / SiO 2 / SiC or Si / SiO 2, Si / SiC, or SiC / SiO 2 in the chamber, from the mixtures Melt is generated and in addition to electrode material and the melt is vaporized by means of a heat source. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei um den Lichtbogen ein reflektierender Schirm angebracht ist, der thermische Strahlung in Richtung des Lichtbogens reflektiert.A method according to any one of claims 1 to 7, wherein a reflective screen is mounted around the arc which reflects thermal radiation in the direction of the arc. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Elektroden zueinander horizontal oder vertikal versetzt oder um unterschiedliche Winkel in horizontaler/vertikaler Richtung geneigt sind, und eine elektrische Versorgung des Lichtbogens mittels einer mehrphasigen Spannungsquelle erfolgt.Method according to one of claims 1 to 8, wherein the electrodes offset from each other horizontally or vertically or inclined at different angles in the horizontal / vertical direction, and an electric supply of the arc by means of a polyphase voltage source. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Lichtbogen magnetisch derart abgelenkt wird, dass der Gasstrom in Richtung Kühlbereich unterstützt wird.Method according to one of claims 1 to 9, wherein the arc is magnetically deflected such that the gas flow is supported in the direction of the cooling area. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Lichtbogen magnetisch derart abgelenkt wird, dass dadurch aus den festen Tiegelbestandteilen eine Schmelze erzeugt wird.The method of claim 7, wherein the arc is magnetically deflected such that a melt is thereby produced from the solid crucible components. Verfahren nach einem Ansprüche 1 bis 11, wobei die hergestellten Silicium enthaltenden nano- bis mikrometerskaligen Partikeln als Anodenmaterial bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden.A method according to any one of claims 1 to 11, wherein the produced silicon-containing nano- to micrometer-scale particles are used as the anode material in the production of lithium-ion batteries.

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