碳硅复合材料及其制备方法和应用、锂电池负极和锂电池

1.本技术属于碳材料技术领域，具体涉及一种碳硅复合材料及其制备方法和应用、锂电池负极和锂电池。


背景技术：

2.随着二次电池的发展，能量密度高、工作电压高、自放电小、可快速充电和安全性更好的锂离子电池在商业化应用中逐步取代传统的镍氢电池和镍镉电池。目前市场上实现大规模商业化应用的锂离子电池负极材料为石墨负极，然而由于石墨的理论储存锂容量较低，仅为375mah/g，且石墨负极存在锂沉积的安全隐患，不能满足电子设备小型化和电池大功率、高容量的需求，因此，需要开发新的负极材料，以提升锂离子电池的能量密度和功率密度。
3.硅负极材料的理论嵌锂容量(4200mah/g)远高于石墨，且硅自然储量丰富，因此，硅负极材料被认为是最具有潜力的锂电池负极材料。尽管硅负极材料具有良好的应用前景，但是在锂电池充放电的过程中，锂离子在硅负极材料中的脱嵌会导致硅负极材料中的硅颗粒产生高达400％的体积膨胀效应。由于硅颗粒的体积膨胀，在应力的作用下硅颗粒极易粉碎，导致硅负极材料失去活性，锂离子电池的容量迅速衰减。此外，硅颗粒体积的反复变化，使得硅负极材料和电解液的界面不稳定，负极材料表面的固体电解质界面(solidelectrolyteinterface，sei)膜不断的被破坏和再生长，在sei膜的再生长过程中会大量的消耗电解液中的锂离子，导致充放电效率的降低，影响锂离子的传输，增加电池的内阻和极化，加剧电池的容量衰减。
4.现有技术中，主要采用改变硅负极材料的组成和微观结构，以适应硅颗粒的体积效应并维持电极导电网络，提高硅负极材料的循环性能。降低硅材料膨胀的主要措施包括硅的纳米化、多孔化和碳包覆，如通过碳包覆的纳米硅颗粒，制成纳米碳硅复合材料，虽然该纳米碳硅复合材料减小了硅的体积膨胀效应，但制得的纳米碳硅复合材料首次库伦效率偏低，电子导电率也没有得到明显改善，同时硅内核与碳外壳之间在长期循环过程中容易出现材料剥离，影响循环性能。
5.在目前公开的一种碳材料制备方法中，通过在制备碳纳米纤维的静电纺丝前驱体溶液中加入硅，得到硅-碳复合纳米纤维材料，具体的，以含有纳米硅粉的聚丙烯腈和聚左旋乳酸的二甲基甲酰胺混合液为前躯体，通过静电纺丝-高温热解法来制备得到含有多孔碳纳米纤维结构的硅-碳复合纳米纤维材料。该材料虽然具有较高的容量，其首次可逆容量约为1100mah/g，但是仍然存在循环稳定性差的技术问题，经30次循环后该材料的容量衰减到630mah/g。虽然该材料中的多孔碳纳米纤维可起到缓冲硅膨胀应力的作用，然而该材料中的硅颗粒在纳米碳纤维丛中的分布并不均匀，部分硅颗粒呈团簇存在，多孔碳纳米纤维对于团簇的硅颗粒不能起到良好的缓冲应力作用，进而导致该材料仍然存在循环稳定性差的问题。


技术实现要素：

6.本技术的目的在于提供一种碳硅复合材料及其制备方法和应用，同时提供一种锂电池负极和锂电池，以解决现有技术中锂电池硅负极材料存在的循环稳定性差的技术问题。
7.第一方面，本技术实施例提供了一种碳硅复合材料。该碳硅复合材料包括具多孔结构的碳纤维芯层和包覆碳纤维芯层的硅层，还包括石墨烯层，石墨烯层至少包覆所述硅层。
8.本技术实施例碳硅复合材料，以硅层包覆具多孔结构的碳纤维芯层，不仅提高了硅层所含硅颗粒的间的导电性，还使得硅层中的硅颗粒沉积于碳纤维芯层的多孔结构中，提高了碳硅复合材料中的硅含量，从而提升了碳硅复合材料作为电池负极时的容量。此外，多孔结构使得碳纤维芯层具有足够的缓冲空间，进而有效的缓解硅层因充放电过程中锂离子脱嵌引起的体积膨胀效应，以减少充放电过程中电活性物质的脱落，提高碳硅复合材料的循环稳定性。硅层表面包覆的石墨烯层极大的改善了硅的导电性，且使碳硅复合材料具有高比表面积，能有效的降低电池极化，从而减少因极化造成的能量损失。同时，石墨烯层还起到缓冲硅层体积改变的作用，使得锂离子脱嵌过程中碳硅复合材料的形貌得以维持，避免sei膜的破坏和再生长，进一步改善本技术实施例碳硅复合材料的循环稳定性。综上所述，石墨烯层、硅层和碳纤维芯层的复合作用，使得本技术实施例碳硅复合材料具有良好的循环稳定性、充放电效率和倍率性能。
9.第二方面，本技术实施例提供了一种碳硅复合材料的制备方法。该碳硅复合材料的制备方法包括如下步骤：
10.提供具多孔结构的碳纤维；
11.在碳纤维表面进行硅沉积处理，形成硅层，并包覆碳纤维，得到碳硅纤维；
12.在碳硅纤维表面形成石墨烯层，并至少包覆硅层，得到碳硅复合材料。
13.本技术实施例碳硅复合材料制备方法通过将硅层包覆具多孔结构的碳纤维，硅层中的硅颗粒沉积于碳纤维多孔结构的孔隙中，不仅提高了碳硅复合材料的硅含量，同时提高了硅层和碳纤维结合的稳定性。碳纤维中的多孔结构为硅层嵌锂过程中的体积膨胀提供有效缓冲空间，一方面缓解碳硅复合材料的体积膨胀对sei膜的破坏，提高了循环稳定性；另一方面，碳纤维孔隙中的硅颗粒膨胀使得硅层与碳纤维进一步牢固结合，有效避免硅层与碳纤维的脱落进一步提高碳硅复合材料循环稳定性。通过石墨烯层包覆，有效提高硅层导电性，且进一步的缓冲硅层体积改变。本技术实施例制备方法制得的碳硅复合材料，硅含量高，硅层结构稳定、导电性高，碳硅复合材料的体积膨胀小，进而使得该制备方法制得的碳硅复合材料具有良好的循环稳定性、充放电效率和倍率性能。
14.第三方面，本技术实施例提供了本技术实施例碳硅复合材料或本技术实施例碳硅复合材料制备方法制得的碳硅复合材料在锂电池负极中的应用。
15.如上所述，本技术实施例碳硅复合材料或本技术实施例碳硅复合材料制备方法制得的碳硅复合材料对于硅颗粒在嵌锂过程中的膨胀具有良好的缓冲作用，且硅颗粒间导电性良好，使得该碳硅复合材料应用于锂电池负极中时，具有良好循环稳定性、充放电效率和倍率性能。
16.第四方面，本技术实施例提供了一种锂电池负极。该锂电池负极包括本技术实施
例碳硅复合材料或本技术实施例碳硅复合材料制备方法制得的碳硅复合材料。
17.本技术实施例锂电池负极所含有的碳硅复合材料具有良好的循环稳定性、充放电效率和倍率性能，以使得本技术实施例锂电池负极循环稳定性好、充放电效率高和倍率性能高。
18.第五方面，本技术实施例提供了一种锂电池。该锂电池包括本技术实施例锂电池负极。
19.由于本技术实施例锂电池负极倍率性能高、充放电效率高和循环稳定性好，使得本技术实施例锂电池具有能量密度高、工作电压高和充放电衰减小的特点。
附图说明
20.为了更清楚地说明本技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本技术实施例提供的碳硅复合材料制备方法工艺流程图；
22.图2为本技术实施例提供的碳硅复合材料制备方法包括碳纤维制备步骤的工艺流程图；
23.图3为本技术实施例1提供的碳纤维sem图；
24.图4为本技术实施例1提供的碳硅纤维sem图；
25.图5为本技术实施例1提供的碳硅纤维tem图；
26.图6为本技术实施例1提供的碳硅纤维另一tem图；
27.图7为本技术实施例1提供的碳硅复合材料sem图；
28.图8为本技术实施例1提供的碳硅复合材料tem图；
29.图9为本技术实施例1提供的碳硅复合材料中石墨烯的sem图；
30.图10为本技术实施例1提供的碳硅复合材料循环伏安曲线；
31.图11为本技术实施例1提供的碳硅复合材料的倍率性能曲线；
32.图12为本技术实施例1提供的碳硅复合材料的循环稳定性曲线。
具体实施方式
33.为了使本技术要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
34.本技术中，术语“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b的情况。其中a，b可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
35.本技术中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，“a,b,或c中的至少一项(个)”，或，“a,b,和c中的至少一项(个)”，均可以表示：a,b,c,a-b(即a和b),a-c,b-c,或a-b-c，其中a,b,c分别可以是单个，也可以是多个。
36.应理解，在本技术的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，部分或全部步骤可以并行执行或先后执行，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本技术实施例的实施过程构成任何限定。
37.在本技术实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本技术。在本技术实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
38.本技术实施例说明书中所提到的相关成分的重量不仅仅可以指代各组分的具体含量，也可以表示各组分间重量的比例关系，因此，只要是按照本技术实施例说明书相关组分的含量按比例放大或缩小均在本技术实施例说明书公开的范围之内。具体地，本技术实施例说明书中所述的质量可以是μg、mg、g、kg等化工领域公知的质量单位。
39.第一方面，本技术实施例提供一种碳硅复合材料，该碳硅复合材料包括具多孔结构的碳纤维芯层和包覆碳纤维芯层的硅层，还包括石墨烯层，石墨烯层至少包覆所述硅层。
40.本技术实施例碳硅复合材料通过将碳纤维芯层设置为具多孔结构，使得硅层中的硅颗粒沉积于多孔结构的孔隙中，一方面增加了硅层的容置空间，使得碳硅复合材料的硅含量提高，进而提高碳硅复合材料作为电池负极材料时的容量，另一方面使得硅层和碳纤维芯层的结合稳定性提高，减少了硅层的脱落。碳纤维芯层中的多孔结构为硅层膨胀提供了缓冲空间，当硅颗粒在嵌锂过程中膨胀时，多孔结构孔隙中的硅颗粒膨胀使硅层和碳纤维芯层进一步牢固结合，减少了电活性物质的脱落，使碳硅复合材料的循环稳定性提高。同时，碳纤维芯层中的多孔结构还有效的缓解了碳硅复合材料因硅层体积膨胀而导致的碳硅复合材料体积膨胀，有效的维持了碳硅复合材料的形貌，降低了碳硅复合材料作为锂电池负极材料时sei膜的破坏和再生，减少了电解液中锂离子的消耗，避免影响锂离子传输，避免电池内阻的增加和极化，降低锂电池容量的衰减。
41.石墨烯层对硅层的包覆有效的提高了硅层中硅颗粒的导电性，石墨烯层还具有缓冲硅层体积变化的作用，进一步维持碳硅复合材料的形貌，提高循环稳定性。石墨烯层的还使得碳硅复合材料具有高比表面积，能够有效的降低电池极化，从而减少因极化造成的能量损失，进一步提高充放电效率。
42.在一些实施例中，可以控制碳纤维芯层的直径为100～2000nm，具体可以为200nm、300nm、500nm、800nm、1500nm、1800nm、2000nm等典型但非限制性直径大小，还进一步可以控制碳纤维芯层的直径分布范围，具体的可以为100～500nm、100～1000nm、500～1500nm、1000～2000nm等典型但非限制性直径分布范围，使得碳纤维芯层粗细均匀分布。
43.在一些实施例中，也可以控制碳纤维芯层中多孔结构的孔径大小d50为20～200nm，具体可以为50nm、80nm、150nm、200nm等典型但非限制性孔径大小，进一步的，还可以控制多孔结构的孔径大小的范围，具体可以为20～50nm、50～100nm、50～200nm、100～200nm等典型但非限制性孔径大小范围。多孔结构的孔径越大，对于硅层的膨胀的缓冲作用越大，然而过大的孔径会导致碳纤维芯层机械强度降低，导致碳纤维芯层被硅层压塌。
44.具体的，控制碳纤维芯层的直径以及多孔结构的孔径在该范围内，一方面使得碳纤维芯层具有较高的机械强度支撑硅层，防止硅层在锂离子脱嵌的过程中碳硅复合材料的结构坍塌。另一方面有效的提高碳纤维芯层的孔隙率，进一步提高硅的容置空间，以提高碳硅复合材料中硅的负载量。同时使得碳纤维芯层的孔隙足够大，具有足够的空间缓解因嵌
锂导致的硅层膨胀，减少硅层的脱落，提高碳硅复合材料的稳定性。
45.在一些实施例中，可以控制碳硅复合材料中硅含量为5～60wt％，具体可以为10wt％、20wt％、30wt％、40wt％、50wt％、60wt％等典型但非限制性含量。相应的，可以控制碳硅复合材料中碳含量为40～95wt％，具体可以为90wt％、80wt％、70wt％、60wt％、50wt％、40wt％等典型但非限制性含量。
46.具体的，碳硅复合材料中硅含量过低，则碳硅复合材料容量低，进而导致电池的容量低。而碳硅复合材料中硅含量过高，碳含量过低，虽然提高了碳硅复合材料的容量，但是由于含碳量过低，碳纤维芯层中缓冲硅层膨胀的空间不足，硅层膨胀时易导致硅颗粒破裂和硅层的脱落，且碳含量过低，碳纤维芯层的机械强度不足，在充放电过程中，易导致碳硅复合材料结构坍塌。此外，含碳量低导致碳硅复合材料的电子电导率不足，以碳硅复合材料作为锂电池负极时导致电池内阻增大。控制碳硅复合材料的硅含量和碳含量在该范围内，使得碳硅复合材料具有较高的容量，同时具有较高的电子电导率以及足够的空间用于缓冲硅层的膨胀，有效的防止硅层中硅颗粒的破裂、脱落以及防止电活性物质的失活，并有助于保持碳硅复合材料的原有形貌，同时增加导电性，进一步提高碳硅复合材料的倍率性能、循环稳定性和充放电效率。
47.在一些实施例中，可以控制硅层的厚度为20～500nm，进一步为50～500nm，具体可以为50nm、100nm、200nm、300nm、400nm等典型但非限制性厚度。控制硅层的厚度在该范围内，一方面，提高碳硅复合材料的硅含量，一方面，控制硅层的厚度为纳米级，使锂离子易于在硅层中脱嵌。
48.在一些实施例中，可以控制硅层所含的硅为无定型硅。无定型硅的制作成本更低，控制硅层所含的硅为无定型硅，有利于控制碳硅复合材料的生产成本。
49.在一些实施例中，可以控制石墨烯层的厚度为10～200nm，具体可以为10nm、20nm、50nm、100nm、150nm、200nm等典型但非限制性厚度。控制石墨的厚度该范围内，有效的降低锂离子脱嵌时的迁移距离，提高锂离子在溶液中和硅层中的迁移效率。
50.在一些实施例中，可以控制石墨烯层所含的石墨烯为少层结构。
51.在一些实施例中，可以控制石墨烯层所含的石墨烯至少是部分竖直生长在硅层的表面，即硅层的表面至少部分包覆立式石墨烯。部分竖直生长于硅层表面的石墨烯避免了水平结构的层间堆叠，提高了比表面积；同时石墨烯形成垂直的网状结构形成了传输的通道，有利于锂离子在通道内的扩散以及电子在石墨烯层片中的传递。
52.第二方面，本技术实施例提供了一种碳硅复合材料的制备方法。如图1所示，该制备方法包括如下步骤：
53.s01、提供具多孔结构的碳纤维；
54.s02、在碳纤维表面进行硅沉积处理，形成硅层，并包覆碳纤维，得到碳硅纤维；
55.s03、在碳硅纤维表面形成石墨烯层，并至少包覆硅层，得到碳硅复合材料。
56.本技术实施例碳硅纤维材料的制备方法，硅层包覆于具多孔结构的碳纤维，使得部分硅嵌入碳纤维多孔结构的孔隙中，提高了硅层和碳纤维的结合力，且碳纤维中的孔隙有效的缓冲了硅层嵌锂时的体积膨胀，并使硅层和碳纤维进一步紧密结合，防止硅层脱落。本技术碳硅材料制备方法通过在硅层表面包覆石墨烯层，通过石墨烯层提高硅的导电性，同时抑制碳硅复合材料在锂离子脱嵌过程中的膨胀。
57.步骤s01：
58.通过步骤s01提供具多孔结构的碳纤维，为硅层附着提供载体，该碳纤维通过多孔结构来提供适于缓冲硅层膨胀的空间。
59.在一些实施例中，可以控制碳纤维的直径为100～2000nm，具体可以为200nm、300nm、500nm、800nm、1500nm、1800nm、2000nm等典型但非限制性直径大小，还进一步可以控制碳纤维直径大小的分布范围，具体的可以为100～500nm、100～1000nm、500～1500nm、1000～2000nm等典型但非限制性直径分布范围，使得碳纤维粗细均匀分布。
60.在一些实施例中，可以控制碳纤维多孔结构的孔径d50为20～200nm，具体可以为50nm、80nm、150nm、200nm等典型但非限制性孔径大小。控制碳纤维多孔结构的孔径大小，提高碳纤维中的孔隙率，增加硅层的体积膨胀的缓冲空间，提高缓冲能力，同时结合碳纤维的直径大小，提高碳纤维的机械强度，避免碳纤维的塌陷。
61.在一些实施例中，还可以控制碳纤维多孔结构的孔径大小分布范围，具体可以为20～50nm、50～100nm、50～200nm、100～200nm等典型但非限制性孔径大小范围。控制孔径分布范围，使得碳纤维中的孔隙均匀分布，并使得碳纤维均匀的缓冲硅层膨胀，提高碳硅复合材料的稳定性。
62.在一些实施例中，如图2所示，碳纤维可以通过包括如下步骤的方法制备：
63.s011、提供碳源纺丝溶液，该碳源纺丝溶液包括树脂和造孔剂；
64.s012、将碳源纺丝溶液进行纺丝处理，得到碳前驱体纤维；
65.s013、将碳前驱体纤维进行碳化处理，得到碳纤维。
66.将造孔剂加入碳源纺丝溶液中，随后进行纺丝、碳化处理，制得具多孔结构的碳纤维的方法，通过树脂和造孔剂的比例进行以及混合的均匀程度，可以对碳纤维的孔隙率和孔径大小和均匀性进行控制，进而该方法制备的碳纤维孔隙率和孔径大小可控，且孔隙分布均匀。
67.步骤s011
68.通过步骤s011提供包括树脂和造孔剂的碳源纺丝溶液，造孔剂均匀分散于碳源纺丝溶液中，进而使得多孔结构在碳纤维中均匀分布。
69.在一些实施例中，可以控制造孔剂包括聚四氟乙烯(poly tetra fluoroethylene，ptfe)、聚偏氟乙烯中至少一种，该些造孔剂在高温时挥发，进而使碳前驱体纤维在碳化过程中，造孔剂颗粒挥发形成多孔结构。
70.进一步的，还可以控制造孔剂如聚四氟乙烯的颗粒粒径d50为20～200nm，具体可以为20nm、50nm、80nm、100nm、150nm、200nm等典型但非限制性粒径大小。更进一步的，还可以控制造孔剂的粒径分布范围，例如可以为20～50nm、20～100nm、50～100nm、50～150nm、100～200nm等典型但非限制性粒径分布范围。控制碳源纺丝溶液中造孔剂的粒径和粒径分布范围，有效的控制碳纤维的中多孔结构的孔隙率和孔径大小，提高硅层的附着空间，同时使得碳纤维中具有足够的空间缓冲硅层的体积膨胀效应，并避免碳纤维的强度降低。
71.在一些实施例中，还可以控制碳源纺丝溶液中造孔剂的浓度为18～42wt％，具体可以为20wt％、25wt％、30wt％、35wt％、40wt％等典型但非限制性浓度。控制碳源纺丝溶液中的造孔剂浓度，一方面控制碳纤维的孔隙率，以提高硅层的缓冲空间和并控制碳纤维的机械强度，另一方面提高碳源纺丝溶液的可纺性。
72.在一些实施例中，可以控制碳源纺丝溶液中造孔剂在树脂和造孔剂总和中的占比为30～70wt％，具体可以为30wt％、35wt％、40wt％、45wt％、50wt％、55wt％、60wt％、65wt％、70wt％等典型但非限制性占比大小。造孔剂的占比过低，碳纤维的孔隙率较低，硅层膨胀的缓冲空间不足，造孔剂的占比过高，虽然提高了碳纤维中的孔隙率，使得碳纤维具有充分的孔隙对硅层的膨胀进行缓冲，但是由于孔隙率过高，作为碳硅复合材料骨架的碳纤维的机械强度大大降低，导致硅层膨胀易引起碳纤维的坍塌，进而导致碳硅复合材料的坍塌。控制造孔剂在树脂和造孔剂总和中的占比在该范围内，第一方面，提高了碳纤维表面的孔隙率，提高硅层的附着空间，进而提高碳硅纤维中的硅含量，第二方面还能够提高硅层膨胀的缓冲空间，第三方面提高碳纤维的机械强度，防止碳硅纤维坍塌，以提高碳硅复合材料的循环稳定。
73.在一些实施例中，树脂包括聚乙烯醇(polyvinyl alcohol，pva)、聚丙烯腈、聚酰亚胺、聚乙烯吡咯烷酮中至少一种。该些树脂在如乙醇、水等溶剂中，具有较好的溶解性，能够形成具有一定粘度的树脂溶液，该树脂溶液具有较好的可纺性，可采用如静电纺丝等方式进行纺丝处理，同时造孔剂颗粒稳定的、均匀的分散于该树脂溶液中形成碳源纺丝溶液，该树脂溶液的粘度进一步提高造孔剂的分散均匀性和分散稳定性，进而提高碳纤维中多孔结构的分布均匀性。
74.在一些实施例中，可以控制碳源纺丝溶液中树脂的浓度为5～30wt％，进一步的可以为5～20wt％，具体可以为7wt％、10wt％、15wt％、25wt％、25wt％、28wt％等典型但非限制性浓度。控制树脂的浓度在该范围内，使得碳源纺丝溶液的粘度适宜，可纺性好，造孔剂的分散性好，同时，该树脂的浓度范围与造孔剂的浓度复配，有效的对碳纤维的孔隙率进行调控，使得碳纤维具有较高的孔隙率，以提高碳硅纤维的硅含量，且使得碳纤维中具有足够的空间缓冲硅层的膨胀，同时避免碳纤维因孔隙率过高而导致机械强度降低，避免碳纤维容易折断或塌陷，进一步防止碳硅复合材料坍塌。此外，控制树脂的浓度在该范围内，使得碳源纺丝溶液的粘度适宜，可纺性好，造孔剂颗粒的分散性好，树脂溶液与造孔剂颗粒混合均匀，纺丝处理形成的碳前驱体纤维中造孔剂颗粒分布均匀，以提高碳纤维中多孔结构分布的均匀性。
75.进一实施例中，当树脂包括聚乙烯醇时，可以控制聚乙烯醇的数均分子量为1万～130万，具体的可以是10万、30万、50万、100万等非限制性分子量大小，如示范例中，聚乙烯醇可以是数均分子量为8万的pva1799。碳源纺丝溶液中聚乙烯醇的浓度可以根据聚乙烯醇的分子量进行调整，当聚乙烯醇的分子高时，可以适当降低碳源纺丝溶液中聚乙烯醇的浓度，当聚乙醇的分子量低时，可以适当的提高碳源纺丝溶液中聚乙烯醇的浓度，如具体示范例中，聚乙烯醇的分子量为1万时，可以控制碳源纺丝溶液中的聚乙醇浓度为30wt％。控制聚乙醇分子量在该范围内，使聚乙烯醇在溶剂如乙醇中具有良好的溶解性，并提高树脂溶液的可纺性，使得纺丝处理制得的碳前驱体纤维粗细均匀。
76.步骤s012：
77.通过步骤s012将碳源纺丝溶液进行纺丝处理，得到碳前驱体纤维。
78.在一些实施例中，纺丝处理方式可以为静电纺丝处理，进一步的，可以控制静电纺丝处理的针头内径为0.6～2.2mm，具体可以为1.0mm、1.6mm等典型但非限制性内径大小。
79.在一些实施例中，可以控制静电纺丝处理的电压为20～30kv，具体可以为20kv、
23kv、25kv、28kv、30kv等典型但非限制性电压大小。
80.在一些实施例中，可以控制静电纺丝处理的推进速度为0.5～1.5ml/h，即控制推料速度为0.5～1.5ml/h，具体可以为0.5ml/h、0.8ml/h、1.0ml/h、1.2ml/h、1.3ml/h、1.5ml/h等典型但非限制性推进速度。
81.在一些实施例中，可以控制静电纺丝处理的接收距离为10～20cm，具体可以为10cm、12cm、14cm、16cm、18cm、20cm等典型但非限制性接收距离大小。
82.在一些实施例中，可以控制静电纺丝处理接收器转速为100～500rpm，具体可以为100rpm、150rpm、200rpm、250rpm、300rpm、350rpm、400rpm、450rpm、500rpm等典型但非限制性转速。
83.控制静电纺丝处理的针头内径、电压、推进速度、接收距离和接收器转速在该范围内，使得静电纺丝处理制得的碳前驱体纤维表面平整、粗细均匀。
84.在一些实施例中，还可以控制静电纺丝处理在温度为25
±
2℃，相对湿度控制为45
±
2％ rh的条件下进行。
85.步骤s013：
86.通过步骤s013对碳前驱纤维进行碳化处理，制得碳纤维，同时，在碳化处理的过程中，碳前驱体纤维所含的造孔剂挥发，形成碳纤维中的多孔结构。
87.在一些实施例中，在进行碳化处理前，本技术实施例制备方法还包括对碳前驱体纤维进行预氧化处理。
88.在一些实施例中，可以控制预氧化处理的温度为240～300℃，进一步的，还可以为240～260℃，具体可以为240℃、250℃、260℃、270℃、280℃、290℃、300℃等典型但非限制性温度。
89.在一些实施例中，可以控制预氧化处理的时间为120～360min，即控制碳前驱体纤维在预氧化处理温度下的保温时间为120～360min。
90.在一些实施例中，可以控制预氧化处理的升温速度在5℃/min以下，进一步的，可以为2～5℃/min，具体可以为1℃/min、2℃/min、3℃/min、4℃/min、5℃/min等典型但非限制性升温速度。
91.通过预氧化处理，防止碳前驱体纤维在碳化时熔融，提高碳纤维的稳定性，同时，通过控制预氧化处理的升温速度，使得碳前驱体纤维均匀的进行预氧化，以提高所制得的碳纤维的均一性。
92.在一些实施例中，可以将碳前驱体纤维放置于马弗炉中保温进行预氧化处理。
93.在另一些实施例中，可以将碳前驱体纤维放置于管式炉中通入含氧气体如空气等进行保温预氧化。
94.在一些实施例中，碳化处理在可以在如氮气、氩气等保护气氛下进行。进一步可以控制碳化处理的温度为800～1110℃，具体可以为900℃、950℃、1000℃、1050℃、1080℃、1100℃等典型但非限制性温度。
95.在一些实施例中，可使控制碳化处理的时间为120～720min，也即控制碳前驱体纤维在碳化温度下保温120～720min使碳前驱体纤维充分碳化。
96.在一些实施例中，可以控制碳化处理的升温速度在10℃/min以下，具体可以为3℃/min、5℃/min、7℃/min、8℃/min、10℃/min典型但非限制性升温速度。控制碳化处理的
温度、时间和升温速度在该范围内，使得碳前驱体纤维充分碳化，造孔剂充分挥发，形成均匀的具多孔结构的碳纤维，且使碳纤维结构稳定并具有良好的机械强度。
97.步骤s02：
98.通过步骤s02进行硅沉积处理，在碳纤维的表面形成硅层包覆碳纤维，得到碳硅纤维。硅沉积处理的方法可以为气相沉积法、磁控溅射法和热蒸镀法等，具体不限定。
99.在一些实施例中，硅沉积处理的方式可以为磁控溅射处理，进一步实施例中，可以控制溅射时间为10～120min，具体可以为10min、20min、30min、40min、60min、90min、100min、120min等典型但非限制性溅射时间。
100.在一些实施例中，可以控制溅射速率为30～100ml/min，具体的，可以为30ml/min、35ml/min、40ml/min、50ml/min、60ml/min、70ml/min、80ml/min、90ml/min、100ml/min等典型但非限制性溅射速率。
101.在一些实施例中，可以控制磁控溅射的温度为500～800℃，具体可以为500℃、550℃、600℃、650℃、700℃、750℃、800℃等典型担非限制性温度。
102.控制磁控溅射处理的时间、速率和温度在该范围内，使得磁控溅射形成的硅层均匀的包覆于碳纤维的表面。
103.在一些实施例中，可以控制碳硅纤维中硅层的厚度为20～500nm，进一步为50～500nm，具体可以为20nm、30nm、50nm、80nm、100nm、200nm、300nm、400nm、500nm等典型但非限制性的厚度。控制碳硅纤维中硅层的厚度为纳米级，增加硅层的比表面积，提高硅层中的锂离子脱嵌效率，同时，增加硅层与碳纤维及石墨烯层的接触面积，提高碳纤维的对硅层体积膨胀效应的缓冲效果，以及提高硅层电子电导率。
104.步骤s04：
105.通过步骤s04在碳硅纤维的表面形成石墨烯层，使得石墨烯层至少包覆硅层，得到碳硅复合材料。
106.在一些实施例中，在碳硅纤维表面形成石墨烯层的方法为化学气相沉积法。
107.在一些实施例中，可以控制化学气相沉积法形成石墨烯层的气态碳源包括甲烷，辅助气体包括氢气和保护气体，进一步的，保护气体包括为氩气、氮气中至少一种。
108.在一些实施例中，可以控制气态碳源、氢气和保护气体的体积比为5～15：70～90：5～15，具体的可以为5：90：5、10：80：10、8：84：8、12：76：12、15：70：15等典型但非限制性体积比。
109.在一些实施例中，可以控制气态碳源的流量为5～15ml/min，具体可以为5ml/min、7ml/min、10ml/min、12ml/min、15ml/min等典型但非限制性流量。保护气体和氢气的流量可以根据气态碳源的流量、与气态碳源的体积比进行设置。
110.在一些实施例中，可以控制化学气相沉积法形成石墨烯层的温度为1000～1050℃，具体可以为1000℃、1010℃、1020℃、1030℃、1040℃、1050℃等典型但非限制性温度。
111.在一些实施例中，可以控制化学气相沉积法形成石墨烯层的沉积时间为0.05～30h，具体可以为1h、1.5h、2h、5h、10h、15h、50h、30h等典型但非限制性沉积时间。
112.在通过化学气相沉积法形成石墨烯层的过程中，可以通过控制气体的流速、体积比、温度等条件，来控制石墨烯的生长方向。控制形成石墨烯层的条件在该范围内，可以控制石墨烯层的厚度和石墨烯的结构，如控制石墨烯层为少层结构，控制石墨烯为立式石墨
烯等。
113.在一些实施例中，可以控制石墨烯层的厚度为10～200nm，具体可以为10nm、20nm、50nm、100nm、150nm、200nm等典型但非限制性厚度。控制石墨烯层的厚度该范围内，有效的降低锂离子脱嵌时的迁移距离，提高锂离子在溶液中和硅层中的迁移效率。
114.第三方面，本技术实施例提供了上文所述碳硅复合材料在锂电池负极中的应用。如上所述，本技术实施例碳硅复合材料的硅含量高，导电性好，且对于硅在嵌锂过程中的膨胀具有有效的缓冲，能够有效防止活性成分的脱落、失活，拓宽了其在锂电池负极的应用。
115.第四方面，本技术实施例提供了一种锂电池负极。该锂电池负极含有上文所述的碳硅复合材料。由于本技术实施例锂电池负极中所含的碳硅复合材料的硅含量高，导电性好，使得该锂电池负极倍率性能高、电阻率小，同时由于该碳硅复合材料对硅的膨胀具有良好的缓冲，能够有效防止活性成分的脱落，极大的提高了使得锂电池负极的循环稳定性。
116.第五方面，本技术实施例提供了一种锂电池。该锂电池含有上文所述锂电池负极。由于该锂电池负极，电阻率小，倍率性能高，循环稳定性好，使得含有该电池负极的本技术实施例电池具有电池内阻小，能量密度高、工作电压高、充放电衰减小、使用寿命长的特性。
117.以下通过多个具体实施例来举例说明本技术实施例碳硅复合材料及其制备方法和应用等。
118.实施例1
119.本实施例提供一种碳硅复合材料，该碳硅复合材料包括碳纤维芯层、硅层和石墨烯层，其中，硅层的厚度为200nm，碳纤维芯层具多孔结构且包覆于硅层内，硅层附着于碳纤维芯层的外表面以及填充于碳纤维芯层表面的孔隙中，石墨烯层包覆于硅层背离碳纤维芯层的表面。
120.本实施例碳硅复合材料的制备过程如下：
121.碳源纺丝溶液制备：
122.称取聚乙烯醇(pva1799)3g，溶于20ml去离子水中，并于90℃保温条件下以400rpm转速搅拌1h后，停止保温，再以400rpm离心搅拌2h，制得聚乙烯醇溶液，其中，pva1799的数均分子量为8万。称取60wt％的聚四氟乙烯分散液5g加入上述聚乙烯醇溶液中，以400rpm恒定转速离心搅拌3h，得到碳源纺丝溶液。在该碳源纺丝溶液中，聚四氟乙烯占溶质总量的50％，其中，溶质的总量为碳源纺丝溶液中聚乙烯醇和聚四氟乙烯的重量的总和。
123.碳前驱体纤维制备：
124.取上述碳源纺丝溶液注入注射器中，在温度为25
±
2℃，相对湿度为45
±
2％rh的环境条件下，采用内径为1.6mm的不锈钢针头进行静电纺丝，制得碳前驱体纤维，静电纺丝过程中，电压为22kv，推进速度为1.5ml/h，接收距离为15cm，接收器转速为400rpm。静电纺丝制得的碳前驱体纤维集合成pva/ptfe复合纤维膜，将pva/ptfe复合纤维膜置于真空烘箱中，在60℃条件下烘干6h去除水分，制得干燥的碳前驱体纤维。
125.碳纤维制备：
126.将干燥后的pva/ptfe复合纤维膜展于石墨纸上，夹入石墨板中固定，放入马弗炉中，以2℃/min的升温速度升温至260℃，并于260℃下保温2h进行预氧化处理，预氧化处理后冷却，取出。将预氧化处理后pva/ptfe复合纤维膜展于石墨纸上，夹入石墨板中固定，放入管式炉中，在通入100ml/min氮气的条件下，以10℃/min的升温速度升温至1000℃，保温
3h，进行碳化处理，制得具多孔结构的碳纤维。
127.碳硅纤维制备：
128.将碳纤维裁成5cm*5cm，以硅靶为靶材，采用磁控溅射工艺在5cm*5cm碳纤维基材表面进行硅沉积处理，沉积时间为1h，在碳纤维表面形成一层厚度为200nm的硅层，制得碳硅纤维。该碳硅纤维包括碳纤维芯层和包覆碳纤维芯层的硅层，该碳纤维芯层即为上述制得的具多孔结构的碳纤维。
129.碳硅复合材料制备：
130.将碳硅纤维置于坩埚中，将坩埚放置于管式炉内，管式炉通入氩气，在氩气的保护下将管式炉以10℃/min的升温速度升温至1030℃。控制氩气的流速为10ml/min，并以90ml/min的流速通入氢气，以10ml/min的流速通入甲烷，进行石墨烯层的生长，在碳硅纤维的硅层表面包覆石墨烯层，控制生长时间为1.5h后，关闭氢气和甲烷，自然冷却后取出，制得碳硅复合材料。
131.实施例2至实施例5
132.实施例2至实施例5分别提供一种碳硅复合材料。实施例2至实施例5的碳硅复合材料制备过程与实施例1碳硅复合材料的制备过程基本相同，区别在于实施例2至实施例5中碳源纺丝溶液中的聚四氟乙烯含量不同。实施例1至实施例5制备碳源纺丝溶液过程中聚乙烯醇的加入量、60wt％聚四氟乙烯分散液的加入量、碳源纺丝溶液中聚四氟乙烯在溶质总量中的占比如表1所示。
133.表1
[0134][0135]
对比例1
[0136]
本对比例提供一种碳纤维。本对比例碳纤维与实施例1碳纤维区别在于本对比例碳纤维为无孔结构。本对比例碳纤维制备过程与实施例1碳纤维制备过程的区别在于，在本对比例碳纤维制备时碳源纺丝溶液中未添加聚四氟乙烯，其他步骤相同。
[0137]
对比例2
[0138]
本对比例提供一种碳纤维，该碳纤维具多孔结构。本对比例碳纤维及其制备过程与实施例1的碳纤维及其制备过程相同。
[0139]
对比例3
[0140]
本对比例提供一种碳硅纤维，该碳硅纤维与实施例1相比，不含石墨烯包覆。本对比例碳硅纤维及其制备过程同实施例1的碳硅纤维及其制备过程。
[0141]
对比例4
[0142]
本对比例提供一种碳硅纤维，该碳硅纤维与实施例1碳硅纤维相比，所含的碳纤维为无孔结构碳纤维，且不含石墨烯包覆。
[0143]
本对比例碳硅纤维制备过程与实施例1碳硅纤维制备过程的区别在于，在本对比例碳硅纤维制备时，碳源纺丝溶液中未添加聚四氟乙烯，其他步骤相同。
[0144]
对比例5
[0145]
本对比例提供一种碳硅复合材料，本对比例碳硅复合材料与实施例1碳硅复合材料的区别在于：本对比例碳纤维芯层为无孔结构。
[0146]
本对比例碳硅复合材料的制备过程实施例1碳硅复合材料的制备过程区别在于：本对比例碳硅复合材料制备时，碳源纺丝溶液未加入聚四氟乙烯，其他步骤相同。
[0147]
形貌观测
[0148]
取实施例1提供的碳纤维采用扫描电镜下进行观察，结果如图3所示，取实施例1提供的碳硅纤维和碳硅复合材料于扫描电镜和透射电镜进行观察，结果如图4至图9所示。
[0149]
其中，图3为本技术实施例1提供的碳纤维sem图；
[0150]
图4为本技术实施例1提供的碳硅纤维sem图；
[0151]
图5为本技术实施例1提供的碳硅纤维tem图；
[0152]
图6为本技术实施例1提供的碳硅纤维另一tem图；
[0153]
图7为本技术实施例1提供的碳硅复合材料sem图；
[0154]
图8为本技术实施例1提供的碳硅复合材料tem图；
[0155]
图9为本技术实施例1提供的碳硅复合材料中石墨烯的sem图。
[0156]
如图3所示，本技术实施例1碳纤维具有多孔结构，且碳纤维的粗细均匀。多孔结构在碳纤维中分布均匀，部分孔隙暴露于碳纤维的表面，从碳纤维表面的孔隙中可以碳纤维中的多孔结构孔径较大，使得碳纤维中具有足够的空间缓解硅层充放电时的膨胀效应。硅层沉积于碳纤维表面的孔隙中，使硅层和碳纤维间具有良好的结合力。
[0157]
如图4至图6所示，在本技术实施例1碳硅纤维中，纳米级的硅颗粒均匀的负载在碳纤维的表面形成硅层，并填充了碳纤维多孔结构的孔隙内部空间。碳硅纤维中硅颗粒的大小均匀，硅层的厚度均匀，有利于锂离子的脱嵌，硅颗粒包覆的碳纤维有效的提高硅颗粒间以及碳硅纤维间的导电性，减低电池内阻。碳硅纤维中硅颗粒与碳纤维表面的孔隙结合，进一步提高硅层与碳纤维的结合力，且提高了碳纤维在碳硅材料中的占比，有利于形成稳定的碳硅纤维并提高材料的比容量。同时高倍镜头下可以看出本技术实施例通过磁控溅射技术沉积的硅层中的硅为无定形硅，无定型硅成成本更低，有利于降低电池的成本。
[0158]
如图7所示，本技术实施例1碳硅复合纤维中，石墨烯层分布均匀，实现了对碳硅纤维外层的整体包覆，有利于抑制充放电过程中规程的体积膨胀效应，维持碳硅复合材料的原有形貌，避免sei膜因碳硅复合材料膨胀而被破坏，同时，根据图7中的高倍图可以看出，该碳硅复合纤维石墨烯层中的石墨烯为立式包覆碳硅纤维的石墨烯。根据图8可以看出，石墨烯层在碳硅纤维的表面包覆较为均匀，且在图8的高倍sem图和图9可以看出，实施例1碳硅复合材料中通过化学气相沉积法包覆的石墨烯为少层结构。
[0159]
性能测试
[0160]
取实施例1碳硅复合材料，通过切片机切成直径为10mm的小圆片，以该小圆片为负极材料，进行cr2032扣式半电池组装，并采用新威电池测试系统cv曲线扫描，倍率性能测试和循环性能测试。该cr2032扣式半电池中，正极材料为锂金属，隔膜为pe/pp，电解液为六氟磷酸锂溶液，支撑材料为泡沫镍，直径为16mm。
[0161]
采用循环伏安法在0.005～3v电压范围内，以0.1mv/s的速度进行扫描，结果如图10所示，图10为本技术实施例1提供的碳硅复合材料循环伏安曲线。
[0162]
在0.02～10a/g电流密度范围内进行倍率性能测试，结果如图11和下文表2所示，图11为本技术实施例1提供的碳硅复合材料的倍率性能曲线。
[0163]
在0.2a/g电流密度下进行循环性能测试，结果如图12所示，图12为本技术实施例1提供的碳硅复合材料的循环稳定性曲线。
[0164]
如图10所示，在首次充放电过程中，分别在约1.3v、0.4v和0.01～0.1v出现了三个还原峰，其中1.3v对应的是电解液的分解以及sei膜的生成，0.4v对应的是si与li+反应生成单质si和硅酸锂盐的过程。0.01～0.1v对应的还原峰是li+和si形成li
x
si的合金化反应。
[0165]
表2
[0166]
电流密度(a/g)放电比容量(mah/g)0.021379.690.051111.220.1889.770.2668.220.4519.770.6445.990.8386.021.0339.872.0187.15
[0167]
如图11和表2所示，在电流密度为0.05a/g、0.1a/g、0.2a/g、0.4a/g、0.8a/g、1.0a/g和2.0a/g时，实施例1提供的碳硅复合材料具有较高的比容量，其充电比容量和放电比容量都分别达到约1100mah/g、850mah/g、650mah/g、550mah/g、400mah/g、350mah/g和200mah/g。该碳硅复合材料在经历电流密度逐渐升高再降低的过程，且经过130次循环后，当电流密度再恢复到0.1a/g时，其比容量恢复到约800mah/g，表明本技术实施例碳硅复合材料的恢复性能较好。
[0168]
根据图12中实施例1碳硅复合材料在0.2a/g电流密度下循环600次的比容量及库伦效率的变化可以看出，实施例1碳硅复合材料的比容量和库仑效率在0.2a/g电流密度下循环600次的情况下无明显衰减，且循环600次后其比容量高达900mah/g，表明本技术实施例提供的碳硅复合材料具有良好的循环性能，其循环性能和库仑效率优于目前的主流石墨负极材料。
[0169]
取实施例1-5的碳硅复合材料、对比例1-2的碳纤维、对比例3-4的碳硅纤维和对比例5的碳硅复合材料，按照上述实施例1性能测试的方式进行电池组装，并在20ma/g的电流密度下测试倍率性能，结果如表3所示。
[0170]
表3
[0171][0172]
如表3所示，相较于对比例3，在孔隙率相同情况下，包覆石墨烯层的实施例1碳硅复合材料具有更高的比容量，同时，实施例1至实施例5数据表明，随着孔隙率的增加，本技术实施例碳硅复合材料的比容量增大。上述数据表明本技术实施例提供的碳硅复合材料及本技术实施例提供的制备方法制得的碳硅复合材料比容量高。
[0173]
以上实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本技术专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种碳硅复合材料，其特征在于：包括具多孔结构的碳纤维芯层和包覆所述碳纤维芯层的硅层，还包括石墨烯层，所述石墨烯层至少包覆所述硅层。2.如权利要求1所述的碳硅复合材料，其特征在于，所述碳硅复合材料中硅含量为5～60wt％，碳含量为40～95wt％。3.如权利要求1或2所述的碳硅复合材料，其特征在于：所述碳纤维芯层的孔径为大小为20～200nm；和/或所述硅层包括收容于所述碳纤维芯层的所述多孔结构中硅；和/或所述硅层所含的硅为无定型硅；和/或所述硅层的厚度为20～500nm；和/或所述石墨烯层的厚度为10～200nm；和/或所述石墨烯层所含的石墨烯为少层结构；和/或所述石墨烯层所含石墨烯至少部分是竖直生长在所述硅层表面。4.一种碳硅复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：提供具多孔结构的碳纤维；在所述碳纤维表面进行硅沉积处理，形成硅层，并包覆所述碳纤维，得到碳硅纤维；在所述碳硅纤维表面形成石墨烯层，并至少包覆所述硅层，得到碳硅复合材料。5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述碳纤维通过包括如下步骤的方法制备：提供碳源纺丝溶液，所述碳源纺丝溶液包括树脂和造孔剂；将所述碳源纺丝溶液进行纺丝处理，得到碳前驱体纤维；将所述碳前驱体纤维进行碳化处理，得到所述碳纤维；且所述碳源纺丝溶液至少满足如下任一条件：所述树脂包括聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚酰亚胺、聚乙烯吡咯烷酮中至少一种；所述树脂的浓度为5～30wt％；所述造孔剂包括聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯中至少一种；所述造孔剂的浓度为18～42wt％；所述造孔剂的粒径为20～200nm；所述造孔剂在所述树脂和所述造孔剂总和中的占比为30～70wt％。6.如权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述纺丝处理为静电纺丝处理，所述静电纺丝处理至少满足如下任一条件：针头内径为0.6～2.2mm；电压为20～30kv；推进速度为0.5～1.5ml/h；接收距离为10～20cm；接收器转速为100～500rpm。7.如权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述碳化处理至少满足如下任一条件：温度为800～1110℃；时间为120～720min；
升温速度为10℃/min以下。8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在进行所述碳化处理前，所述制备方法还包括将所述碳前驱体纤维进行预氧化处理，所述预氧化处理至少满足如下任一条件：温度为240～300℃；时间为120～360min；升温速度为5℃/min以下。9.如权利要求4、5、8任一项所述的制备方法，其特征在于：所述硅沉积处理方式为磁控溅射处理，所述磁控溅射处理至少满足如下任一条件：溅射时间为10min～120min；溅射速率为30～100ml/min；温度为500～800℃；和/或在所述碳硅纤维表面形成所述石墨烯层的方法为化学气相沉积法，形成所述石墨烯层的方法至少满足如下任一条件：气态碳源、氢气和保护气体的体积比为5～15：70～90：5～15；所述气态碳源的流量为5～15ml/min；温度为1000～1050℃；沉积时间为0.05～30h。10.如权利要求1-3任一项所述的碳硅复合材料或权利要求4-9任一项所述的制备方法制得的碳硅复合材料在锂电池负极中的应用。11.一种锂电池负极，其特征在于，所述锂电池负极包括权利要求1-3任一项所述的碳硅复合材料或权利要求4-9任一项所述的制备方法制得的碳硅复合材料。12.一种锂电池，其特征在于，所述锂电池包括权利要求11所述的锂电池负极。

技术总结
本申请实施例公开了一种碳硅复合材料及其制备方法和应用、锂电池负极和锂电池。该碳硅复合材料包括具多孔结构的碳纤维芯层、硅层及石墨烯层，其中，硅层包覆碳纤维芯层，石墨烯层至少包覆硅层。碳纤维芯层中的多孔结构为硅层的体积膨胀提供充分的缓冲空间，减少了电活性物质的脱落，提高了碳硅复合材料的循环稳定性，且该多孔结构还硅层中的硅提供了容置空间，使得碳硅复合材料的硅含量提高，进而提高碳硅复合材料的倍率性能。石墨烯层的包覆极大改善了硅的导电性，同时起到缓冲硅层体积改变的作用，进一步改善本申请实施例碳硅复合材料的循环稳定性，使得碳硅复合材料具有高倍率性能和良好的循环性能。能和良好的循环性能。能和良好的循环性能。


技术研发人员：曾林 章睿杰 慕永彪 吴不可
受保护的技术使用者：南方科技大学
技术研发日：2023.02.16
技术公布日：2023/9/23