[发明专利]具有中空多囊核壳结构的负极材料及其制备方法和应用

权利要求书

1.一种具有中空多囊核壳结构的负极材料，其特征在于，所述负极材料的内核为金属掺杂的纳米硅基材料与第一碳材料的复合球体，所述复合球体内具有多囊孔隙结构，外壳为碳黑颗粒与碳纳米管和/或碳纤维与第二碳材料的复合体，直径范围20um～200um；

其中，所述内核占所述负极材料总质量的(70％，95％]，所述外层占所述负极材料总质量的(5％，30％]；

所述金属掺杂的纳米硅基材料的通式为SiMxOy，0＜x≤10，0≤y≤10，其中M为金属掺杂元素，包括Mg、Ca、Ba、Ti、Li、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Mo、Ge、Sn、Al、Na、B中的一种或几种；所述第一碳材料的前驱体材料为低残炭碳源，900℃残炭率≤20％；所述纳米硅基材料包括硅、二氧化硅、氧化亚硅中的一种或多种的组合；所述复合球体的粒径尺寸范围在1um～30um；

所述第二碳材料的前驱体材料为高残炭碳源，900℃残炭率≥40％；所述碳黑颗粒的直径≤20nm；所述碳纳米管的直径≤1um，长度≤50um；所述碳纤维的直径≤1um，长度≤50um。

2.根据权利要求1所述的负极材料，其特征在于，所述低残炭碳源具体包括：葡萄糖、蔗糖、聚乙烯吡咯烷酮中的一种或几种；

所述高残炭碳源具体包括：酚醛树脂、环氧树脂、脲醛树脂中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的负极材料，其特征在于，所述高残炭碳源与所述低残炭碳源溶解于不同的溶剂体系。

4.一种上述权利要求1-3任一所述的具有中空多囊核壳结构的负极材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

步骤一：将纳米硅基材料和金属掺杂元素的单质或者氧化物同时注入反应器中，并在400℃～1200℃保护气氛下，对所述纳米硅基材料和金属掺杂元素的单质或者氧化物的混合粉体进行热处理，保温1小时～10小时，再将得到的产物磨碎成颗粒；所述纳米硅基材料与金属掺杂元素的单质或者氧化物的摩尔比为1:0.001～1:10；所述颗粒的平均粒径在1nm～1μm；

步骤二：将步骤一所得颗粒与低残炭碳源按质量比1:0.1～1:10配比后，按照固体与溶剂质量比为1:100～1:1000加入第一溶剂，搅拌至低残炭碳源溶解后进行超声处理，再采用喷雾干燥机进行喷雾造粒，得到第一喷雾造粒颗粒，所述第一喷雾造粒颗粒的平均粒径在1nm～30μm；

步骤三：将步骤二所得的第一喷雾造粒颗粒与碳黑、碳纳米管和/或碳纤维、高残炭碳源按比例混合，混合比例为A:B:C:D；0＜A≤10,0＜B≤15,0＜C≤5,0＜D≤50；按照固体与溶剂质量比为1:50～1:200加入第二溶剂，搅拌至高残炭碳源溶解后进行超声处理，再采用喷雾干燥机进行喷雾造粒，得到第二喷雾造粒颗粒，所述第二喷雾造粒颗粒的平均粒径在20nm～300μm；其中，所述第二溶剂不溶解所述低残炭碳源；

步骤四：将步骤三中所得第二喷雾造粒颗粒在保护气氛环境下以1℃/min～10℃/min升温至700℃～1300℃，保温0.5小时～15小时，使得所述低残炭碳源发生碳化，在所述内核中形成多囊孔隙结构，得到所述具有中空多囊核壳结构的负极材料。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述热处理为在真空环境或保护气氛中进行的热处理，所述保护气氛为氮气气氛或惰性气氛。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述第一溶剂为蒸馏水或乙醇；所述第二溶剂包括丙酮、苯乙烯、全氯乙烯、三氯乙烯、乙烯乙二醇醚或三乙醇胺中的一种或几种混合。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤二的所述喷雾造粒的过程中，喷雾干燥机出口温度为130～200℃，压力为3～4MPa。

8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤三的所述喷雾造粒过程中，喷雾干燥机出口温度为100～150℃，压力为3～4MPa。