[发明专利]一种纳米硅碳复合材料及其制备方法和应用

权利要求书

1.一种纳米硅碳复合材料，其特征在于，所述纳米硅碳复合材料包括：表面气相沉积硅基材料的碳纳米材料，以及外部包覆的经物理除磁处理的碳包覆层；

所述硅基材料为由硅和二氧化硅复合生成的存在弥散分布的硅微晶结构的氧化亚硅，或者由硅、二氧化硅和金属掺杂元素或所述金属掺杂元素的氧化物复合生成的存在弥散分布的硅基合金微晶结构的改性氧化亚硅；

所述碳纳米材料包括碳黑、碳纤维、石墨烯、单壁碳管、多壁碳管和纳米石墨等中的一种或几种的组合；所述碳纳米材料的平均粒径为1-5000nm；

所述金属掺杂元素包括B、Al、Na、Mg、Ca、Ba、Ti、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Li、Mo、Ge、Sn中的一种或几种；

所述硅微晶结构或者硅基合金微晶结构的颗粒尺寸为1-50nm；

所述纳米硅碳复合材料在锂电池循环后仍然保持原有结构，其中，循环后，硅基材料仍然附着在碳材料表面，脱嵌锂后硅基材料的组成为金属硅、锂硅合金、掺杂的金属硅、掺杂的锂硅合金、硅酸锂，氧化锂、复合硅酸化合物、复合氧化物中的一种或者几种复合而成；外层为碳包覆层以及与锂电池循环副反应产生的固态电解质界面SEI膜的复合材料。

2.根据权利要求1所述的纳米硅碳复合材料，其特征在于，所述纳米硅碳复合材料中，所述碳纳米材料的质量分数为10％-90％，所述硅基材料的质量分数为1％-80％，所述碳包覆层的质量分数为1％-30％；

其中，所述硅基材料中硅元素的质量分数为40％-80％，氧元素的质量分数为10％-60％；所述金属掺杂元素的质量分数为0％-40％。

3.一种上述权利要求1-2任一所述的纳米硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1，在真空条件下，将硅和二氧化硅，或硅、二氧化硅和金属掺杂元素或金属掺杂元素的氧化物按所需比例混合均匀后，在真空炉中加热至1000-2000摄氏度，并通过温度为200-700摄氏度的碳纳米材料沉积硅基材料；

步骤2，对步骤1所得材料进行碳包覆；

步骤3，对步骤2所得材料进行物理除磁处理。

4.根据权利要求3所述的纳米硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述碳包覆具体为：

按所需质量比向所述真空炉内通入气态的碳源，在700-1100摄氏度下碳化处理，以对步骤1所得材料进行碳包覆；或者，

将步骤1所得材料与液态或者固态的碳源通过液相混合或固相混合后，在700-1100摄氏度下进行热处理，以对步骤1所得材料进行碳包覆。

5.根据权利要求3所述的纳米硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述硅和二氧化硅的摩尔比为1:2-2:1。

6.根据权利要求3所述的纳米硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述硅基材料为20-2000nm的氧化亚硅或改性氧化亚硅的颗粒或薄膜；

所述碳纳米材料包括碳黑、碳纤维、石墨烯、单壁碳管、多壁碳管和纳米石墨等中的一种或几种的组合；所述碳纳米材料的平均粒径为1-5000nm。

7.根据权利要求4所述的纳米硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述气态的碳源为甲苯、甲烷和乙炔中的一种或多种混合；所述液态或者固态的碳源为糖、沥青或高分子聚合物。

8.根据权利要求7所述的纳米硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述糖为葡萄糖，所述沥青为石油沥青或中间相沥青，所述聚合物为酚醛树脂或聚丙烯腈。

9.一种锂离子电池负极材料，其特征在于，所述负极材料包括上述权利要求1或2所述的纳米硅碳复合材料；

其中，所述纳米硅碳复合材料占所述锂离子电池负极材料的质量百分比大于2％；

所述锂离子电池负极材料的充电比容量为400mAh/g-1500mAh/g。

10.一种锂电池，其特征在于，所述锂电池包括上述权利要求1或2所述的纳米硅碳复合材料。