[发明专利]具有三维预留孔结构的硅碳复合负极材料及其制备方法

权利要求书

1.一种具有三维预留孔结构的硅碳复合负极材料，由具有高导电率和稳定结构的碳基体(1)与高容量的硅粒子(3)构成，其特征在于：所述的硅粒子(3)的质量含量为10～95％，所述的碳基体(1)的质量含量为5～90％；所述的硅粒子(3)的平均粒径为30nm～1μm；所述的碳基体(1)为有机碳源热解所得。

2.根据权利要求1所述的具有三维预留孔结构的硅碳复合负极材料，其特征在于：所述的硅粒子(3)均匀分散在所述的碳基体(1)中，在每一颗或几颗所述的硅粒子(3)的周围预留有三维膨胀空间(2)。

3.根据权利要求2所述的具有三维预留孔结构的硅碳复合负极材料，其特征在于：预留的所述的三维膨胀空间(2)的体积为所述的硅粒子(3)的体积的1～3倍。

4.制备权利要求1所述的具有三维预留孔结构的硅碳复合负极材料的方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步：对硅粒子进行表面改性：取平均粒径在30nm～1μm的硅粒子，按硅粒子与有机溶剂质量比1∶100～1∶10，超声分散在有机溶剂中，形成均匀的硅粒子悬浮液；将硅粒子悬浮液置于搅拌器中机械搅拌，同时，滴加表面改性剂，继续搅拌反应1～2小时，得到表面改性后的高容量硅粒子分散液；

第二步：二氧化硅包覆硅粒子：取经第一步改性处理后的硅粒子分散液，在超声的过程中，调节溶液的pH＝8～10，形成分散均匀的碱性悬浮液；然后缓慢滴加正硅酸乙酯到乙醇溶液中，正硅酸乙酯与乙醇的体积比为1∶10～20，滴加速度0.1～1mL/min，滴加完后在38-42℃的水浴中机械搅拌反应1～2小时，反应结束后，离心除去上清液，用无水乙醇和水洗涤，干燥后得到二氧化硅包覆的硅粒子；

第三步：碳源前躯体包覆二氧化硅/硅复合粒子：将碳源前躯体溶于溶剂中形成碳源前躯体溶液，将第二步所得二氧化硅包覆的硅粒子加入到碳源前躯体溶液中，超声混合0.5～1小时；将温度升高至55-65℃机械搅拌1～2小时，然后转入干燥箱，先在75-85℃下预干燥10-14小时，后在140-160℃下干燥10-14小时，研磨得到粒径1～20μm的碳/二氧化硅/硅的复合粒子；

第四步：高温碳化处理：将第三步所得碳/二氧化硅/硅的复合粒子在保护性气氛下，以1～10℃/分钟的速度升温至600～1200℃，保温2～5小时，自然冷却到室温，得到碳/二氧化硅/硅的复合粒子；

第五步：去除二氧化硅模板：将第四步所得的碳/二氧化硅/硅的复合粒子加入到质量浓度为4～40％的氢氟酸中，机械搅拌反应2～6小时，溶解作为预留孔模板的二氧化硅，得到用于锂离子电池的具有三维预留孔结构的硅碳复合负极材料。

5.根据权利要求4所述的制备具有三维预留孔结构的硅碳复合负极材料的方法，其特征在于：上述第一步中所述有机溶剂为各种能够使硅粒子分散的液体，为水、乙醇、丙醇、丙酮中的一种或多种；所述的表面改性剂的加入量为高容量硅粒子质量的1～20％，所述的表面改性剂选自烷基硅烷偶联剂、氨基硅烷偶联剂、十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种。

6.根据权利要求4或5所述的制备具有三维预留孔结构的硅碳复合负极材料的方法，其特征在于：上述第二步中所述的经改性处理后的硅粒子与正硅酸乙酯的质量比为1∶2～1∶6，所述的二氧化硅包覆的硅粒子中硅粒子与二氧化硅的质量比为1∶1～1∶3。

7.根据权利要求4或5所述的制备具有三维预留孔结构的硅碳复合负极材料的方法，其特征在于：上述第三步中所述的碳源前躯体是水溶性或有机溶剂系的聚乙烯醇、聚苯乙烯、酚醛树脂、环氧树脂、葡萄糖、蔗糖和淀粉中的一种或几种，所述的碳源前躯体与硅粒子的质量比为30∶1～1∶6；所述的溶剂为任何能溶解所选用碳源前躯体的溶剂，为水、乙醇、甲醇、正丁醇、丙酮、甲基丁酮、苯、甲苯和二甲苯中的一种或几种。

8.根据权利要求4或5所述的制备具有三维预留孔结构的硅碳复合负极材料的方法，其特征在于：上述第四步中所述的保护性气氛为氮气或氩气，气体流量为0.1～3m³/h。

9.根据权利要求4或5所述的制备具有三维预留孔结构的硅碳复合负极材料的方法，其特征在于：超声处理的超声功率为100～200W，超声频率为40～80kHz，超声时间为0.5～1小时。

10.根据权利要求4或5所述的制备具有三维预留孔结构的硅碳复合负极材料的方法，其特征在于：机械搅拌处理的搅拌速度为500～2000r/min。