[发明专利]一种空心珠状纳米硅碳复合材料及其制备方法和应用

权利要求书

1.一种空心珠状纳米硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将三价可溶性铁盐、磷酸二氢铵与去离子水混合，经水热反应后得到空心珠状Fe₂O₃颗粒；

2)将步骤1)制备的空心珠状Fe₂O₃颗粒置于聚乙烯吡咯烷酮/正丁醇溶液中，经处理后得到聚乙烯吡咯烷酮修饰的Fe₂O₃颗粒；

3)将步骤2)制备的聚乙烯吡咯烷酮修饰的Fe₂O₃颗粒与乙醇混合，得到溶液A，将浓氨水、去离子水混合得到溶液B，将溶液A与溶液B混合，得到混合溶液；

4)将正硅酸乙酯逐滴、分批加入到步骤3)制备的混合溶液中，经水解反应后得到SiO₂包覆的Fe₂O₃，再经酸刻蚀除去Fe₂O₃，得到空心珠状SiO₂；

5)将步骤4)制备的空心珠状SiO₂与镁粉、无机盐混合，经镁热还原反应及后处理得到空心珠状Si颗粒；

6)将步骤5)制备的空心珠状Si颗粒置于N₂/C₂H₂气氛下，经CVD法进行表面碳包覆，得到所述的空心珠状纳米硅碳复合材料。

2.根据权利要求1所述的空心珠状纳米硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中：

所述的三价可溶性铁盐选自氯化铁、硫酸铁、硝酸铁中的至少一种；

混合后的溶液中，所述的三价可溶性铁盐的浓度为0.01～0.05mol/L，磷酸二氢铵与Fe³⁺的摩尔比为0.04～0.07:1；

所述的水热反应的温度为200～250℃，时间为36～60h。

3.根据权利要求1所述的空心珠状纳米硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中：

所述的聚乙烯吡咯烷酮/正丁醇溶液的浓度为0.001～0.01mol/L，珠状Fe₂O₃颗粒与聚乙烯吡咯烷酮的摩尔比为1:20～50；

所述的处理包括超声、搅拌、静置和离心分离。

4.根据权利要求1所述的空心珠状纳米硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，步骤3)中：

所述的溶液A中，固液比为1～2g/L；

所述的溶液B中，浓氨水与去离子水的体积比为1:2～10；

所述的溶液B和溶液A的体积比为1:2～10。

5.根据权利要求1所述的空心珠状纳米硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，步骤4)中：

所述的正硅酸乙酯分3～5批加入混合溶液中，每批加料间隔10～30min；加入的正硅酸乙酯的总体积与混合溶液中溶液A的体积比为1:200～2000。

6.根据权利要求1所述的空心珠状纳米硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，步骤5)中：

所述的无机盐选自卤素的钠盐和/或卤素的钾盐；

所述的空心珠状SiO₂、镁粉与无机盐的摩尔比为1:2.05～2.5:4～10；

所述的镁热还原反应的温度为650～750℃，时间为2～8h。

7.根据权利要求6所述的空心珠状纳米硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述的无机盐选自氯化钠和氯化钾。

8.根据权利要求1所述的空心珠状纳米硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，步骤6)中：

所述的N₂/C₂H₂气氛中，两者体积比为1:1；

所述的表面碳包覆的温度为800～1000℃，时间为10～30min。

9.根据权利要求1～8任一所述的方法制备的空心珠状纳米硅碳复合材料，其特征在于，所述的复合材料呈现珠状的空心结构，珠状空心结构的内外壁均被碳层均匀包覆，尺寸为100～200nm，壁厚为20～40nm；

所述的复合材料中碳含量为20～40％。

10.一种根据权利要求9所述的空心珠状纳米硅碳复合材料在锂离子电池中的应用。