被信越化学投入了大量研发力度的碳包覆,其技术路线和布局策略有何借鉴意义?

发布时间:2021-02-01 作者:TP情报员 来源:TP情报社


在上期的文章:(点击下方标题,阅读原文)

 

《最具潜力的电池负极材料?探索信越化学的氧化硅专利申请与制备工艺路线》

 

我们对硅基负极材料及信越化学在氧化硅的制备工艺上进行了深入研究。

 

目前,硅基负极材料面临最大的问题是硅在反应中会出现体积膨胀。虽然氧化硅材料就已经较好解决了此项瓶颈,但仍然存在电导率低、首次库伦效率不高等问题。其中,利用碳包覆这项技术手段就能解决电导率低的问题。

 

在碳包覆中,在包覆涂层的完整性和均匀性是非常关键的,所以信越在碳包覆方面投入了大量的研发力量,同时也产出了大量的专利。

 

接下来我们来看一下信越化学除氧化硅制备工艺以外的另一项核心技术——碳包覆的技术路线。

 

 

 

01  碳包覆技术路线

 

 

信越化学在碳包覆方面的专利主要围绕着气相包覆技术来进行开展,涉及相关专利共49项。

 

 

 

这件专利是碳包覆的一件基础专利,保护的是碳包覆氧化硅的产品。实际上在这件专利之前,信越先申请了两件涉及碳包覆方法的专利。

 

 

采用化学气相沉积法,在有机气体或者蒸气存在下,在500度到1300度的温度条件下进行包覆。

 

 

在随后的几件专利申请中,分别涉及到粒径、重量比等基础参数的控制。

 

2003年以后,信越的专利申请出现了几年的中断,从2009年开始又重新开始碳包覆的专利申请。从前面技术分支的分布及氧化硅制备的技术路线图我们可以看到,在这一时期,信越主要是在氧化硅制备工艺和预锂化方面投入比较多。

 

图片

 

 

在碳包覆方面,信越在2011年申请了第一件涉及到碳包覆设备的专利。随后碳包覆相关的专利数量呈现了快速增长的趋势,尤其是在2014年和2015年。

 

除了对包覆设备持续改进之外,还采用多种手段对包覆碳膜就行控制,比如温度、时间、多次沉积等方式,同时也采取更多的表征方式,如拉曼光谱。

图片

 

以上这些技术手段都是为了解决碳层包覆的完整性和均匀性的问题。

 

 

碳包覆另外一个关键性问题就是批量生产和连续制备。这个问题实际是由包覆设备来解决的。下面我们就以包覆设备为例,来看一下信越的专利布局策略。

 

2011年,信越申请了碳包覆设备的首件专利,它使用的是连续的辊式炉,用旋转窑,通过陶瓷辊的连续旋转使炉芯管旋转,从而实现碳包覆的连续进行。

 

 

采用的旋转窑包括炉芯管、加热器、进料器以及空气敲击器。围绕这个旋转窑,信越布局了多件专利。

 

 

 

 

 

02   碳包覆的专利布局

 

接下来我们来看一下信越从哪些角度进行了专利布局,以及权利要求的限定方式。

 

以下面这件专利为例。

 

 

图片

 

这件专利是将炉芯管的各部分尺寸比就行了优化。在这件专利权利要求里,它定义了三个参数,一个是全炉长度A,一个是加热部的长度B,另一个是从炉芯管的出口端到加热部为止的距离C。这三个参数要满足0.4《B/A<1,0.04《C/A《0.35两个条件。

 

这两个条件是一般炉芯管实现旋转又兼顾加热效率都会采取的比例方式,信越就是运用比例而不是具体长度的形式来限制炉芯管,获得了非常大的保护范围,一般旋转的炉芯管都会落入到其保护范围。

 

实际上信越其他的很多专利也都是采取定义参数,利用参数比例进行限定的方式来获得较大保护范围。例如下面这件专利。

 

 

图片

 

这件专利定义了炉芯管的转数、投入至炉芯管中的颗粒在每单位时间内的质量、以及炉芯管的内径,并给出公式进行限定。

 

图片

 

这件专利保护了在炉芯管端部颗粒移动的辅助夹具,同样也利用参数比例进行限定。

 

 

 

这几件专利都是从不同角度对炉芯管进行保护,解决的问题都是抑制产物凝结在炉芯管中造成堵塞而使碳膜不均匀的技术问题。

 

随后,信越还针对旋转窑进行多件专利布局。

 

图片

 

 

这件专利限定了原料气体的导入管。导入管在不同温度下具有不同热导率,高温下,需要较低热导率,反之则需要较高热导率。

 

通过这样的限定,就可以抑制炉芯管里面的热量到达原料气体导入管内壁的速度。原料气体导入管内的碳减少了,就可以抑制原料气体的热分解反应,从而精确控制反应温度以及包覆的碳量。

 

图片

 

这件专利定义了反应气体和载气的线速度,并满足特定关系,从而抑制管内的湍流产生,抑制温度不均匀和碳源气体的回流,使碳膜质量变化小。

图片

 

这件专利在炉芯管的内壁上设置了螺纹槽,用具体的参数比例进行限定,使得可以以比较恒定的速度强制运送粉末,防止粉末堵塞。

 

图片

 

最后这件专利是在炉芯管的出口部位设置了一个倾斜部,也定义了具体的参数。通过倾斜部的设置,不会减慢非加热区颗粒的移动速度,从而防止粉末堵塞,实现均匀包覆的技术效果。

 

 

通过信越针对炉芯管、旋转窑的专利布局进行分析,我们发现,信越化学是利用非常细致的参数定义和参数设计对一个比较简单的结构进行非常充分且有效的保护,这种专利布局方式是值得我们学习和借鉴的。