本发明涉及锂电池，尤其涉及一种锂电池的低膨胀硅碳复合材料及其制备方法。
背景技术：
1、随着全球能源结构的转型和环境保护要求的提高，锂离子电池凭借着良好的轻量化、高能量密度等特点，在电动车、可穿戴设备、移动通讯以及大规模储能领域中占据越来越重要的地位。作为锂电池的关键组成之一，负极材料直接影响到电池的容量、功率和循环稳定性。硅碳材料因其高理论比容量吸引了大量研究关注，逐渐成为替代传统石墨负极的有力竞争者，被认为是下一代高能量密度锂电池的关键材料。
2、在现有的技术中，硅碳负极材料通常是通过将纳米硅与碳源进行复合来制备；例如，专利申请号为cn202111117673.1公开了一种多孔硅碳负极材料及其制备方法，其通过在硅碳复合物的内核外部添加孔隙和无定形碳包覆层来提高材料的结构稳定性；然而，尽管该方法一定程度上缓解了体积膨胀问题，但由于纳米硅粒子的尺寸在制备过程中并未得到有效控制，仍然存在显著的膨胀现象，从而影响了电池的循环性能。此外，此类硅碳材料的首次库伦效率和功率性能仍然较为有限，限制了其在高性能锂离子电池应用中的普及。
3、鉴于此，需要对现有技术中的硅碳负极材料制备技术加以改进，以解决硅碳复合物制备时体积膨胀的技术问题。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种锂电池的低膨胀硅碳复合材料及其制备方法，解决以上的技术问题。
2、为达此目的，本发明采用以下技术方案：
3、一种锂电池的低膨胀硅碳复合材料的制备方法，包括：
4、s1，提供硅源和二氧化硅源，以及金属源，按照质量比硅：二氧化硅：金属=33~40：64：1~5将其混合均匀，之后在真空度为0.01~0.1mpa的条件下加热到1000~1500℃并保温1～6小时，以形成金属/一氧化硅/纳米硅的混合物；
5、s2，对得到的金属/一氧化硅/纳米硅的混合物进行氢氟酸/浓硝酸蒸汽刻蚀处理，得到金属掺杂多孔一氧化硅结构；之后在金属掺杂多孔一氧化硅结构通入硅烷气体进行化学气相沉积，将温度控制在400~600℃并保持1～6小时，实现纳米硅在所述金属掺杂多孔一氧化硅的定向沉积，得到金属/一氧化硅/纳米硅复合体；
6、s3，在得到的金属/一氧化硅/纳米硅复合体表面通过化学气相沉积法引入氢化锂蒸汽，在800~1000℃的条件下进行0.5～2小时的锂化处理，以形成锂/金属掺杂一氧化硅/纳米硅复合体；
7、s4，停止通入氢化锂蒸汽，改通入碳源气体，进行1～6小时的碳沉积，在所述锂/金属掺杂一氧化硅/纳米硅复合体表面实现碳包覆；
8、s5，在保护气体下将反应体系冷却至室温，得到低膨胀特性的硅碳复合材料。
9、可选的，所述金属为铜、镍、铁、铝中的一种；
10、所述硅烷气体为三氯硅烷、四氯硅烷、二甲基氯硅烷、二甲基硅烷、三氯乙基硅烷中的一种。
11、可选的，步骤s1具体包括：
12、s11，提供一定量的硅源、二氧化硅源和提供金属源；其中，选择硅源为球形或非球形的纳米硅粉末，二氧化硅源为晶体或非晶体形态的二氧化硅粉末；
13、s12，将硅源、二氧化硅源和金属源以质量比硅：二氧化硅：金属=33~40：64：1~5的比例进行称量，并使用机械混合器进行预混均匀后置于反应容器中；
14、s13，将反应容器置于可编程控温的热处理炉中，通过优化升温曲线控制热处理速率逐步升温至1000~1500℃并在0.01~0.1mpa的真空度条件下，
15、s14，达到设定温度后，在恒温状态下保温1～6小时，使硅源和二氧化硅源在金属源的催化作用下发生化学反应，转变为一氧化硅和纳米硅，并与剩余的金属形成金属/一氧化硅/纳米硅的混合物。
16、可选的，步骤s2具体包括：
17、s21，将获得的金属/一氧化硅/纳米硅的混合物转移到具备对流通气氛和温度控制能力的定制反应釜中；
18、s21，通过导入系统将氢氟酸/浓硝酸蒸汽引入反应釜，采用流量控制技术维持氢氟酸/浓硝酸蒸汽的稳定流动，流量设定为100～1000ml/min；
19、s23，进行刻蚀操作，持续时间60～600min，采用测量装置跟踪刻蚀过程中混合物的质量变化，以制定多孔结构的形成过程和孔隙度的控制策略，生成金属掺杂多孔一氧化硅结构。
20、可选的，步骤s23之后还包括：
21、s24，对刻蚀完成后的金属掺杂多孔一氧化硅结构使用去离子水进行冲洗，利用超声波清洗技术辅助去除表面杂质和残留的氢氟酸/浓硝酸；
22、s25，将经过清洗的金属掺杂多孔一氧化硅转移到化学气相沉积装置中，设定沉积环境为400~600℃的温度范围内；
23、s26，引入优化配比的硅烷气体进行沉积，流量设为10～100ml/min，控制沉积时间在1～6小时；其中，监测化学气相沉积过程，通过沉积监测数据进行流体力学和温度场的设计，实现各向异性控制的纳米硅沉积过程，调节沉积后所得的纳米硅粒径和分布；使纳米硅的定向沉积与金属掺杂多孔一氧化硅结构的孔径相适应，得到金属/一氧化硅/纳米硅复合体。
24、可选的，所述采用测量装置跟踪刻蚀过程中混合物的质量变化，以制定多孔结构的形成过程和孔隙度的控制策略，具体包括：
25、s231，使用基于外延红外光谱技术的测量装置在刻蚀过程中定期获取混合物中初始的孔径大小和孔隙分布，并利用外延红外光穿透混合物粒子，以定量分析刻蚀过程中孔隙和孔径的动态变化，生成反馈数据；
26、s232，采用bet表面积分析法对刻蚀过程中孔隙和孔径的动态变化进行分析，以对所述反馈数据进行修正；
27、s233，根据修正后的实时的反馈数据，制定细化的孔径调整策略，所述孔径调整策略包括对氢氟酸/浓硝酸蒸汽浓度的逐步增加或减少，以及反应釜内部的压力控制参数。
28、可选的，步骤s3具体包括：
29、s31，开启化学气相沉积装置的气体循环系统，排出硅烷气体，并设置温度控制在800~1000℃；
30、s32，通过导入系统将氢化锂蒸汽，在初始构型阶段采用步进式流量增加方式并在后续逐步增强氢化锂蒸汽的流量至10～100ml/min；
31、s33，利用测量装置定期追踪锂化过程，结合外延红外光谱技术来评估金属锂的沉积状态；
32、s34，在0.5～2小时的锂化反应时间内动态调整氢化锂蒸汽的流量和反应釜的温度，以在金属/一氧化硅/纳米硅复合体的内部或表面沉积金属锂。
33、可选的，步骤s4具体包括：
34、s41，开启化学气相沉积装置的气体循环系统，排出氢化锂蒸汽，并进行真空抽取处理；
35、s42，引入碳源气体，流量维持在10～100ml/min，同时根据碳源气体的碳化包覆速率调整沉积的温度和时间参数；所述碳源气体为甲烷气体；
36、s43，在控制的温度范围内，进行1～6小时的碳沉积，通过程序控制加热曲线，以实现对碳包覆层的厚度与密度控制，在所述锂/金属掺杂一氧化硅/纳米硅复合体外形成碳包覆；
37、s44，在碳沉积过程中，通过加入掺杂剂气体，以调节碳包覆层的电子性能；所述掺杂剂气体为氨气或硼气。
38、本发明还提供了一种锂电池的低膨胀硅碳复合材料，采用如上所述的锂电池的低膨胀硅碳复合材料的制备方法制得，所述低膨胀硅碳复合材料包括：
39、核心层，由纳米硅粒子组成，用于存储锂离子；
40、多孔一氧化硅层，通过氢氟酸/浓硝酸蒸汽蚀刻金属/一氧化硅/纳米硅的混合物，形成具有多个孔隙的多孔一氧化硅结构，所述孔隙中包含核心层的纳米硅粒子；
41、锂掺杂层，通过化学气相沉积引入氢化锂蒸汽对所述多孔一氧化硅结构进行锂化处理，形成的锂掺杂层；
42、碳包覆层，碳包覆层包覆于所述锂掺杂层外。
43、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：加工时，首先通过将硅源、二氧化硅源与金属源以一定的质量比混合并进行高温热处理，形成金属/一氧化硅/纳米硅混合物，使用氢氟酸/浓硝酸蒸汽对混合物进行刻蚀，形成具有孔隙结构的多孔一氧化硅，并在此结构中，利用硅烷气体进行化学气相沉积，有效地在孔隙内定向沉积纳米硅，进行锂化处理，通过引入氢化锂蒸汽在高温下在纳米硅表面形成锂化硅结构，通过引入碳源气体，在锂化硅表面形成碳包覆层，然后在保护气体气氛下冷却至室温，得到低膨胀的硅碳复合材料；本方案通过精确控制硅在多孔一氧化硅中的定向沉积，以及后续的锂化处理和碳包覆层的形成，从而实现了硅的体积膨胀控制和电导性的显著提升。
1.一种锂电池的低膨胀硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的锂电池的低膨胀硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述金属为铜、镍、铁、铝中的一种；
3.根据权利要求1所述的锂电池的低膨胀硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，步骤s1具体包括：
4.根据权利要求1所述的锂电池的低膨胀硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，步骤s2具体包括：
5.根据权利要求4所述的锂电池的低膨胀硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，步骤s23之后还包括：
6.根据权利要求5所述的锂电池的低膨胀硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述采用测量装置跟踪刻蚀过程中混合物的质量变化，以制定多孔结构的形成过程和孔隙度的控制策略，具体包括：
7.根据权利要求1所述的锂电池的低膨胀硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，步骤s3具体包括：
8.根据权利要求1所述的锂电池的低膨胀硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，步骤s4具体包括：
9.一种锂电池的低膨胀硅碳复合材料，其特征在于，采用如权利要求1至8任一项所述的锂电池的低膨胀硅碳复合材料的制备方法制得，所述低膨胀硅碳复合材料包括：
