[发明专利]一种碳/硅/碳复合材料及其制备方法和应用

摘要

本发明涉及一种碳/硅/碳复合材料及其制备方法和应用，该复合材料以碳材料为核心，在碳材料表面再包覆纳米硅层和纳米碳层。该碳/硅/碳复合材料的制备方法采用微波消解有机硅烷的方式在碳材料表面包覆氧化硅层，极大地缩短了制备周期，提高了生产效率；使用还原性强的纳米金属颗粒在室温下通过机械球磨将硅的氧化物还原为硅，降低了能耗；再通过高温焙烧在硅层上包覆碳层得到碳/硅/碳复合材料。所得碳/硅/碳复合材料在充放电过程中，硅电极材料的体积变化得到有效控制，电极结构保持完整，循环容量大，循环寿命长，具有广阔的应用市场。

主权项

1.一种碳/硅/碳复合材料，其特征在于：以碳材料为核心，在碳材料表面包覆纳米硅层和纳米碳层，其中所述的碳材料为人造石墨、天然石墨、中间相碳微球、软碳、硬碳、碳米管、石墨烯或碳纤维。

2.根据权利要求1所述的碳/硅/碳复合材料，所述的纳米硅层的厚度为1～200nm，纳米碳层的厚度为1～150nm。

3.一种碳/硅/碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)使用氧化剂对碳材料表面进行氧化，得到表面改性的碳材料；

(2)将步骤(1)得到的碳材料与有机硅在溶剂中超声后，用酸或碱调节pH值，微波处理，使有机硅分解，得到二氧化硅包覆碳复合材料，即为前躯体1；

(3)将步骤(2)得到的二氧化硅包覆碳复合材料与纳米金属颗粒机械球磨，得到硅包覆碳复合材料，即为前躯体2；

(4)将步骤(3)得到的硅包覆碳复合材料与热解碳源混合，再高温焙烧得到碳/硅/碳复合材料。

4.根据权利要求3所述的碳/硅/碳复合材料的制备方法，步骤(1)所述的氧化剂为双氧水、硝酸、硫酸、盐酸或高锰酸钾。

5.根据权利要求3所述的碳/硅/碳复合材料的制备方法，步骤(2)所述的有机硅为正硅酸乙酯、氨丙基三乙氧硅烷、丙基甲基二乙氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、丙基三乙氧基硅烷或巯丙基三甲氧基硅烷。

6.根据权利要求3所述的碳/硅/碳复合材料的制备方法，步骤(2)所述的溶剂为去离子水、甲醇、乙醇、正丁醇、丙酮、乙酸乙酯或异丙醇。

7.根据权利要求3所述的碳/硅/碳复合材料的制备方法，步骤(2)所述的酸为盐酸、硫酸、硝酸或磷酸，所述的碱为氨水、氢氧化钠或氢氧化钾。

8.根据权利要求3所述的碳/硅/碳复合材料的制备方法，步骤(2)所述的微波处理条件为：功率范围为1～1000W，处理温度为0～100℃，处理时间为0.5～120min。

9.根据权利要求3所述的碳/硅/碳复合材料的制备方法，步骤(3)所述的纳米金属为金属镁、金属钠或金属锂。

10.根据权利要求3所述的碳/硅/碳复合材料的制备方法，步骤(4)所述的热解碳源为葡萄糖、蔗糖、酚醛树脂、沥青、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚乙二醇或聚丙烯腈，高温焙烧的温度为400～1200℃，高温焙烧的时间为1～5h。