[发明专利]一种微纳结构化碳硅复合微球及其制备方法和用途

权利要求书

1.一种微纳结构化碳硅复合微球的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

以二氧化硅颗粒与保护剂的混合溶液作为喷雾干燥的前驱体溶液，进行喷雾干燥并热处理，制备得到微纳结构化碳/二氧化硅复合微球，然后，通过金属热还原法制备微纳结构化碳硅复合微球。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述保护剂为葡萄糖、蔗糖、果糖、麦芽糖、壳聚糖、柠檬酸、尿素、抗坏血酸、淀粉、蛋白质、明胶、阿拉伯胶、海藻酸盐、纤维素、酚醛树脂、聚偏二氟乙烯、聚氨基酸、聚乙烯吡咯烷酮、聚碳酯、聚乙烯醇、聚乙二醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸乙酯、聚丙烯酸树脂、聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚乳酸或聚苯乙烯中的任意一种或至少两种的混合物。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述二氧化硅颗粒为气相二氧化硅颗粒；

优选地，所述二氧化硅颗粒的粒径为5nm-300nm；

优选地，所述喷雾干燥的前驱体溶液中，溶剂为水和/或有机溶剂；

优选地，所述喷雾干燥的前驱体溶液中，溶质的质量浓度为0.1％-60％，优选为15％；

优选地，所述二氧化硅和保护剂的质量比为1:(0.1-50)；

优选地，所述喷雾干燥的前驱体溶液中还包含碳纳米材料；

优选地，所述碳纳米材料为碳纳米管、石墨烯、石墨烯氧化物、还原的石墨烯氧化物、碳纤维中的任意一种或至少两种的混合物。

4.如权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述喷雾干燥的进料速度为0.5mL/min-100mL/min，优选为10mL/min-60mL/min；

优选地，所述喷雾干燥的进风温度为100℃-300℃，优选为120℃-220℃；

优选地，所述喷雾干燥的出风温度通过设备自动调节；

优选地，所述喷雾干燥的载气为空气或惰性气体；

优选地，所述喷雾干燥中，使用雾化器将喷雾干燥的前驱体溶液雾化成滴，所述雾化器为力式雾化器、气流式雾化器、旋转式雾化器或超声波雾化器中的任意一种。

5.如权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述热处理在非氧化气氛条件下进行；

优选地，所述非氧化气氛为氦气气氛、氖气气氛、氩气气氛或氢气气氛中的任意一种或至少两种的组合，进一步优选为氩气气氛和/或氢气气氛；

优选地，所述热处理的温度为300℃-1000℃，进一步优选为400℃-900℃；

优选地，所述热处理时间为30min-24h，进一步优选为2h-12h。

6.如权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，所述金属热还原法制备微纳结构化碳硅复合微球过程为：将微纳结构化碳/二氧化硅复合微球与还原剂混合，在惰性气氛下升温至100℃-1200℃，还原0.5h-60h，冷却至室温，用酸浸泡后洗涤干燥，获得微纳结构化碳硅复合微球；

优选地，所述微纳结构化碳/二氧化硅复合微球与还原剂的质量比为1:(0.1-50)，进一步优选为1:(0.5-30)；

优选地，所述还原剂为镁、锌、铝、锂、钠或钾中的任意一种或至少两种的混合物；

优选地，所述惰性气氛为氮气气氛、氩气气氛、氦气气氛或氢气气氛中的任意一种或至少两种的组合；

优选地，所述酸为盐酸和/或硫酸，所述盐酸的浓度优选为3摩尔/升，所述硫酸的浓度为4摩尔/升。

7.一种如权利要求1-6任一项所述方法制备得到的微纳结构化碳硅复合微球，其特征在于，所述微纳结构化碳硅复合微球为核-空心壳结构的碳硅颗粒，包括核、空心壳和在核和空心壳之间的空腔，所述核为硅球，直径为3nm-200nm；所述空心壳为碳空心壳，厚度为1nm-50nm；

优选地，所述微纳结构化碳硅复合微球的粒径为0.5μm-50μm；

优选地，所述微纳结构化碳硅复合微球中硅球的重量百分含量为50％-99％。

8.根据权利要求7所述的微纳结构化碳硅复合微球，其特征在于，所述微纳结构化碳硅复合微球中还包含碳纳米材料，所述碳纳米材料与核-空心壳结构的碳硅颗粒混合构成微纳结构化碳硅复合微球。

9.一种如权利要求7或8所述的微纳结构化碳硅复合微球作为锂离子电池活性负极材料的用途。

10.一种电化学储能器件和/或储能系统，其特征在于，所述电化学储能器件和/或储能系统包含权利要求7或8所述的微纳结构化碳硅复合微球。