CN103618071A - 一种锂离子电池碳硅复合负极材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锂离子电池碳硅复合负极材料及其制备方法，所述负极材料是在单颗硅颗粒表面包覆有一层均匀的碳包覆层或杂元素掺杂碳包覆层或多孔碳包覆层。本发明中采用水热法及后续煅烧的方法，绿色环保，步骤简单，易于操作，将硅和弹性碳载体组成复合材料，利用碳和硅各组分间的协同效应进行优势互补来提高硅材料电化学性能，提高了其首次充放电效率和循环稳定性，制备出的硅碳复合锂离子电池负极材料具有比容量高、循环稳定性好和安全无污染等优点，为高容量锂离子电池的研究提供了有效的途径。

Description

一种锂离子电池碳硅复合负极材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及锂离子电池领域，具体涉及一种锂离子电池碳硅复合负极材料及其制备方法。
背景技术：
随着化石能源的日益枯竭以及地球气候的日趋恶化，开发新型清洁能源和加强节能减排成为世界各国的重点发展方向。近年来随着混合动力汽车和纯电动汽车以及新能源（太阳能、风电）并网发电站项目建设步伐加快，高性能动力（储能）电池成为大力发展的核心技术之一，目前锂离子电池因其高电压、大容量、循环性能佳、低污染等优点成为最有竞争力的电源解决方案。研发性能优异的负极材料是提高锂离子电池性能的关键之一。碳材料是最早在商业锂电池中得到广泛应用的负极材料，但是，电容量密度低、不可逆损失大、高温时安全性低、过充电时容易短路等缺点限制了碳负极材料的发展。因此，开发容量密度高、循环性能优良和安全性能优异的新型锂离子电池负极材料迫在眉睫。
在众多新型锂离子电池负极材料中，硅基负极材料具有其它负极材料无法匹敌的高容量优势（Li22Si5，理论储锂容量4200mAh/g），是目前商业碳负极材料理论容量的11倍。锂嵌入硅的电位（低于0.5V）低于一般溶剂分子的共嵌入电压，高于锂的析出电位。因此，硅基负极材料可以解决溶剂分子嵌入以及锂枝晶析出的问题。但是，硅基材料导电性差，同时其在嵌脱锂过程中存在严重的体积效应，体积变化率约为400%，会造成电极材料粉化以及电极材料与集流体分离。硅基材料的上述缺陷严重限制了其商业化的应用。为克服硅的体积效应，人们多采用制备纳米结构的硅基材料，硅薄膜材料，多孔硅材料和硅基复合材料来提高硅负极材料的循环性能，但是此类复合材料中的硅会裸露于电解液中，由于充放电过程中的体积效应，硅负极材料不断形成新鲜表面，因此持续消耗电解液以生成SEI膜，降低了电极材料的循环性能。因此，通过研发电性能优异的弹性载体和寻找新型负载方式提高硅基材料的电化学性能，进而开发出高比容量、高充放电效率、长循环寿命的新型锂离子电池，具有一定的理论价值和实践意义，对推动锂离子电池产业的技术升级和新能源产业、电动汽车及混合电动车产业的发展无疑具有重要的意义。
Hu YS等发现利用葡萄糖在水热条件下碳化对硅进行包覆可以有利于提高硅材料的循环性能，但由于非活性SiOx层的存在影响了材料的首次库伦效率（J.Angew.Chem.,Int.Ed.2008,47,1645）。
发明内容：
本发明的目的是提供一种锂离子电池碳硅复合负极材料及其制备方法，采用水热合成的方法，在惰性气氛保护下，利用碳源在水热过程中碳化生成碳层包覆在硅材料表面。本方法制备出的碳硅复合材料中单颗硅颗粒具有更加均匀的包覆碳层，促进在充放电过程中在复合材料的表面形成稳定的SEI膜，有利于解决用传统方法合成的复合材料中的硅会裸露于电解液中，在硅表面会形成不稳定的SEI膜，降低了电极材料的循环性能的问题；通过对碳源的选择或者/同时添加适当的造孔剂/软模板，又可以分别制备出杂元素掺杂碳与硅的复合材料及多孔碳与硅的复合材料，利用碳和硅各组分间的协同效应进行优势互补来提高硅材料电化学性能。
本发明是通过以下技术方案予以实现的：
一种锂离子电池碳硅复合负极材料，所述负极材料是在单颗硅颗粒表面包覆有一层均匀的碳包覆层或杂元素（如氮、硫）掺杂碳包覆层或多孔碳包覆层，所述杂元素选自氮或硫。所述硅颗粒与碳包覆层或杂元素掺杂碳包覆层或多孔碳包覆层的质量比为4:1～1:4。
所述硅颗粒为硅粉，硅粉粒径为30～100nm。
所述包覆的方法为水热碳化包覆法。
所述碳包覆层或杂元素（如氮、硫）掺杂碳包覆层或多孔碳包覆层的碳源选自葡萄糖、蔗糖、环糊精、糠醛、水杨醛或羟甲基糠醛中的一种。
本发明还提供所述锂离子电池碳硅复合负极材料的制备方法，包括以下步骤：
a、通过以下方式制备碳硅均匀体系：往纯碳源或杂元素掺杂碳源或掺杂软模板/造孔剂的碳源的水溶液中加入硅粉制得混合均匀的体系；所述碳源和硅粉的质量比为1:1～10:1，所述碳源跟水的质量比为0.033:1～0.28:1;
所述纯碳源的水溶液的制备：将纯碳源溶于水中得到纯碳源的水溶液；
所述杂元素掺杂碳源的水溶液的制备包括以下步骤：将分散介质溶于水中，然后加入杂元素源搅拌，然后再加入碳源搅拌4～10小时得到杂元素掺杂碳源的水溶液；所述杂元素选自氮或硫，所述杂元素源选自聚(3,4-乙撑二氧噻吩)、3,4-乙撑二氧噻吩、壳聚糖、甲壳素、聚吡咯、吡咯或聚苯胺类物质中的一种；所述分散介质为聚苯乙烯磺酸或对甲苯磺酸；所述杂元素源与碳源的质量比为1:10～3：10；所述分散介质与杂元素源的质量比为1.93:1～5.8:1；
所述掺杂软模板/造孔剂的碳源的水溶液的制备包括以下步骤：将碳源的水溶液跟软模板/造孔剂的水溶液混合搅拌得到掺杂软模板/造孔剂的碳源的水溶液；所述软模板/造孔剂与碳源的质量比为1:10～1:30；所述软模板/造孔剂为有机F127表面活性剂；
b、将步骤a得到的碳硅均匀体系转移至反应釜，通入保护气氛排除氧气，110～180℃下进行水热处理，反应时间为4～12h，得到水热炭化后的产物；
c、将步骤b水热炭化得到的产物进行抽滤，依次用蒸馏水和无水乙醇进行洗涤，干燥后在氩气保护气氛下煅烧得到硅/碳复合负极材料或硅/杂元素掺杂碳复合锂离子电池负极材料或硅/多孔碳复合负极材料。
步骤a所述碳源选自葡萄糖、蔗糖、环糊精、糠醛、水杨醛或羟甲基糠醛中的一种。
所述硅粉粒径为30～100nm。
步骤c所述煅烧是在400～800℃煅烧2～4h。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明利用碳源在水热过程中碳化生成碳层包覆在硅材料表面，成功实现对单颗硅颗粒进行更加均匀的碳包覆，促进在充放电过程中在复合材料的表面形成稳定的SEI膜，提高了其首次充放电效率和循环稳定性，有利于解决用传统方法合成出复合材料中的硅会裸露于电解液中，在硅表面会形成不稳定的SEI膜，降低了电极材料的循环性能的问题。
(2)采用水热法及后续的煅烧步骤制备出来的硅/碳复合材料，将硅和弹性碳载体组成复合材料，利用碳和硅各组分间的协同效应进行优势互补来提高硅材料电化学性能。制备出的硅碳复合锂离子电池负极材料具有比容量高、循环稳定性好和安全无污染等优点，为高容量锂离子电池的研究提供了有效的途径。
(3)通过对碳源的选择可以制备出杂元素掺杂碳与硅的复合材料，杂元素的掺杂有利于提高复合材料的性能，原因如下：1，与碳元素相比，掺杂的原子（如硫、氮原子）外层电子较多，因此，与纯碳材料相比，杂元素掺杂碳材料因其中含有的杂原子能够提供电子，表现出金属性，从而使复合材料本身的机械性能提高；2，杂元素的掺入有利于增加碳原子间距提高材料的比表面积，同时，也给碳材料表面引入活性位点；3，杂原子在材料中与碳原子形成的共价键可以改善碳材料的电子传输性能（以硫原子为例，硫原子在掺杂的碳材料中形成—C—S—C—和—C—SO2—C—两种结构），同时，降低阻抗系数，有利于提高掺杂后的复合材料的电化学性能。
(4)通过添加适当的造孔剂/软模板，可以制备出多孔硅/碳的复合负极材料。软模板制备硅/多孔碳复合负极材料，与传统的以二氧化硅或纳米金属氧化物颗粒为硬模板制备多孔复合材料的方法相比，更为简单易操作，并避免了硬模板法中必不可少的化学腐蚀去模板的步骤，提高了实验的安全系数。
(5)本发明中采用水热法及后续煅烧的方法，绿色环保，步骤简单，易于操作，使用的碳源材料来源广泛且价格相对低廉具有一定的现实意义。
附图说明：
图1为本发明实施例1中当碳源和硅的质量比为10：1,水热反应条件为180℃下反应6h时得到的硅/碳复合负极材料的扫描电镜图；
图2为本发明实施例1中当碳源和硅的质量比为10：1,水热反应条件为180℃下反应6h时得到的硅/碳复合负极材料的透射电镜图；
图3为本发明实施例1中当碳源和硅的质量比为10：1,水热反应条件为180℃下反应6h时得到的硅/碳复合负极材料的X射线衍射谱图；
图4为本发明实施例1中当碳源和硅的质量比为10：1,水热反应条件为180℃下反应6h时得到的硅/碳复合负极材料的拉曼光谱曲线；
图5为本发明实施例1中使用的原硅粉和制备的硅/碳复合负极材料作为锂离子电池负极材料在400mAh/g的电化学性能图：
其中1#为当碳源和硅的质量比为10：1,水热反应条件为110℃下反应4h时制备的硅/碳复合负极材料；2#为当碳源和硅的质量比为10：1,水热反应条件为180℃下反应6h时制备的硅/碳复合负极材料；3#为当碳源和硅的质量比为3：1,水热反应条件为180℃下反应6h时制备的硅/碳复合负极材料；
图6为本发明实施例2中3,4-乙撑二氧噻吩和葡萄糖的质量比为3：10时制备的硅/硫掺杂碳复合负极材料的扫描电镜图；
图7为本发明实施例2中3,4-乙撑二氧噻吩和葡萄糖的质量比为3：10时制备的硅/硫掺杂碳复合负极材料的EDS图；
图8为本发明实施例2中3,4-乙撑二氧噻吩和葡萄糖的质量比为3：10时制备的硅/硫掺杂碳复合负极材料的的X射线衍射谱图；
图9为本发明实施例2中3,4-乙撑二氧噻吩和葡萄糖的质量比为3：10时制备的硅/硫掺杂碳复合负极材料的拉曼光谱曲线；
图10为本发明实施例2中使用的原硅粉和制备的硅/硫掺杂碳复合负极材料作为锂离子电池负极材料在400mAh/g的电化学性能图；
其中1#为3,4-乙撑二氧噻吩和葡萄糖的质量比为1:10；2#为3,4-乙撑二氧噻吩和葡萄糖的质量比为3：10；
图11为本发明实施例3中使用的原硅粉的扫描电镜图（a）和投射电镜图(b/c)；软模板/造孔剂与碳源的质量比为1:10时制备的硅/多孔碳复合负极材料的扫描电镜图（d）和透射电镜图(e/f)；
图12为本发明实施例3中使用的原硅粉的N2吸脱附曲线和孔径分布图（插图）；软模板/造孔剂与碳源的质量比为1:10时制备的硅/多孔碳复合负极材料的N2吸脱附曲线和孔径分布图（插图）；
图13为本发明实施例3中使用的原硅粉和软模板/造孔剂与碳源的质量比为1:10时制备的硅/多孔碳复合负极材料的的X射线衍射谱图；
图14为本发明实施例3中使用的原硅粉和软模板/造孔剂与碳源的质量比为1:10时制备的硅/多孔碳复合负极材料的拉曼光谱曲线；
图15为本发明实施例3中使用的原硅粉和制备的硅/多孔碳复合负极材料作为锂离子电池负极材料在400mAh/g的电化学性能图；
其中，1#软模板/造孔剂与碳源的质量比为1:30；2#软模板/造孔剂与碳源的质量比为1:10；
图16为本发明实施例3中使用的原硅粉和软模板/造孔剂与碳源的质量比为1:10时制备的硅/多孔碳复合负极材料在循环前以及循环20次后的交流阻抗测试曲线；
图17为本发明实施例3中使用的原硅粉和软模板/造孔剂与碳源的质量比为1:10时制备的硅/多孔碳复合负极材料作为锂离子电池负极材料在0.01～1.5V电压下以0.2mV/S的扫速扫描的前四次循环伏安曲线。
具体实施方式：
以下是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
实施例1：硅/碳复合负极材料
以葡萄糖为碳源制备硅/碳复合负极材料：
称取3克葡萄糖溶解于30ml去离子中，随后称取0.3～3g粒径为30～100nm的硅粉分散（超声分散与磁力搅拌交替进行）于上述葡萄糖水溶液中制得混合均匀的体系；将上述均匀体系转移至聚四氟乙烯内胆瓶中，通入保护气氛排除氧气，反应釜放入设定温度为110～180℃的烘箱/油浴锅，反应4～6h后取出，冷却至室温，得到水热后的产物；将水热炭化得到的产物进行抽滤，依次用蒸馏水和无水乙醇作为洗涤溶剂，将抽滤后所得的沉淀物放入60℃烘箱中12h，冷却至室温后在氩气保护气氛下于400～800℃煅烧2～4h，后即得到硅/碳复合负极材料。
原硅粉为土黄色粉末，经过包覆碳后得到的硅/碳复合负极材料为黑色粉末，从宏观上可看出碳对硅粉的包覆。从硅/碳复合负极材料扫描电镜图（图1）可见，制备的硅/碳复合负极材料为120～200nm的单分散球形颗粒，从其透射电镜图（图2）可见，制备的复合材料中的每颗硅颗粒被厚度大约为15～18nm的碳层包覆，这种结构有利于在充放电过程中想成较为稳定的SEI膜。从其X射线粉末衍射图（图3）上可见，制备的硅/碳复合负极材料在2θ=28.4°、47.4°、56.2°、69.2°和76.5°处有明显的特征衍射峰分别对应于(111)、(220)、(311)、(400)和(331)晶面，与晶体硅的标准XRD谱图一致(JCPDS No.27-1402)。除此之外，在2θ=23°和43°处有两个微微隆起的“馒头峰”对应着复合材料中的碳层为非晶型结构。从拉曼光谱图（图4）上可见，原硅材料及制备的硅/碳复合负极材料在295、510和940cm-1波长处都出现明显的特征峰，通过比对两者的谱图发现，复合材料在这三个波长处的拉曼特征峰有些许的向低波数平移，这由于碳包覆产生的效应。同时对比还发现，复合材料在1350以及1600cm-1出现了表示碳拉曼活性峰，分别对应于碳的D峰和G峰，分别对应碳中无定形结构碳的存在以及G峰碳中的石墨化碳的存在。
极片及电池的制备：按质量百分比为70%的硅/碳复合材料作为负极活性材料、10%的CMC水溶液（粘度为300-1200cps.）作为粘结剂，20%的乙炔黑导电剂混合，用水为溶剂调成粘度为2000-4000cps负极膏体，20μm厚的铜箔作为集流体，用涂膜机涂敷到铜箔上，与真空烘箱中在60℃下烘干成极片，用冲片机剪切成负极片；以锂片为对电极，以聚乙烯膜为隔膜，以1M LiPF6/EC：DEC：DMC(v：v：v=1：1：1)（5%FEC添加剂）为电解液组装扣式电池（CR2025）进行恒电流充放电测试，电压范围为0.01-1.50V，电流密度为400mA/g。
从图5可见，原硅粉的首次库伦效率为70%，经过20次循环后放电比容量降到49mAh/g。经过碳包覆后材料的电化学性能有所改进，当碳源和硅的质量比为10：1,水热反应条件为180℃下反应4h时得到的硅/碳复合负极材料，首次库伦效率为84%，经过25次循环后放电比容量维持在1238mAh/g。
实施例2：硫掺杂硅/碳复合负极材料
以3,4-乙撑二氧噻吩为硫源，对甲苯磺酸为分散介质，葡萄糖为碳源，制备硫掺杂硅/碳复合负极材料：
称取0.58g对甲苯磺酸溶于30ml去离子水中得到透明液体A，随后称取0.1～0.3g3,4-乙撑二氧噻吩滴入A中，搅拌2h得到透明均匀的溶液B后，称取1g的葡萄糖溶解于溶液B中，搅拌2h后称取催化剂过硫酸铵（0.5g）/硫酸铁（2mg）加入溶液B中继续搅拌得到澄清透明的溶液C；随后称取0.3g粒径为30～100nm硅粉，分散（超声分散与磁力搅拌交替进行）于溶液C中制得混合均匀的体系D；将上述均匀体系D转移至聚四氟乙烯内胆瓶中，通入保护气氛排除氧气，反应釜放入设定温度为150℃的烘箱/油浴锅，反应12h后取出，冷却至室温得到水热后的产物；将水热炭化得到的产物进行抽滤，依次用蒸馏水和无水乙醇作为洗涤溶剂，将抽滤后所得的沉淀物放入60℃烘箱中12h，冷却至室温后在氩气保护气氛下于800℃煅烧3h后即得到硫掺杂硅/碳复合负极材料。
当3,4-乙撑二氧噻吩和葡萄糖的质量比3:10时制备出的复合材料，从硫掺杂硅/碳复合负极材料扫描电镜图（图6）可见，制备的复合负极材料中纳米Si颗粒被均匀的分散在硫掺杂碳壳中，这种结构有利于在充放电过程中想成较为稳定的SEI膜。根据（图7）EDS能谱曲线结果可知，硫元素在硅/碳复合材料中的含量为2.75%。从其X射线粉末衍射图（图8）上可见，制备的硫掺杂硅/碳复合负极材料在2θ=28.4°、47.4°、56.2°、69.2°和76.5°处有明显的特征衍射峰分别对应于(111)、(220)、(311)、(400)和(331)晶面，与晶体硅的标准XRD谱图一致(JCPDS No.27-1402)。除此之外，在2θ=23°和43°处有两个微微隆起的“馒头峰”对应着复合材料中的碳层为非晶型结构。从拉曼光谱图（图9）上可见，原硅材料及制备的硅/碳复合负极材料在295、510和940cm-1波长处都出现明显的特征峰，通过比对两者的谱图发现，复合材料在这三个波长处的拉曼特征峰有些许的向低波数平移，这由于碳包覆产生的效应。同时对比还发现，复合材料在1350以及1600cm-1出现了表示碳拉曼活性峰，分别对应于碳的D峰和G峰，分别对应碳中无定形结构碳的存在以及G峰碳中的石墨化碳的存在。
极片及电池的制备：按质量百分比为70%的硫掺杂硅/碳复合材料作为负极活性材料、10%的CMC水溶液（粘度为300-1200cps.）作为粘结剂，20%的乙炔黑导电剂混合，用水为溶剂调成粘度为2000-4000cps负极膏体，20μm厚的铜箔作为集流体，用涂膜机涂敷到铜箔上，与真空烘箱中在60℃下烘干成极片，用冲片机剪切成负极片；以锂片为对电极，以聚乙烯膜为隔膜，以1M LiPF6/EC：DEC：DMC(v：v：v=1：1：1)为电解液组装扣式电池（CR2025）进行恒电流充放电测试，电压范围为0.01-1.50V，电流密度为400mA/g。
从图10可见，硫掺杂硅/碳复合负极材料的电化学性能有所提高，当3,4-乙撑二氧噻吩和葡萄糖的质量比为1:3时首次库伦效率为82%，经过100次循环后放电比容量维持在1028mAh/g。
实施例3：硅/多孔碳复合负极材料
以F127为软模板/造孔剂，葡萄糖为碳源，制备硅/多孔碳复合负极材料：
称取0.28g F127溶于20ml去离子水中搅拌过夜得到透明液体A，称取2.8～8.4g（此时，所述软模板/造孔剂与碳源的质量比为1:10～1:30）葡萄糖溶于10ml的去离子水中搅拌得到透明溶液B，将溶液B滴入溶液A中搅拌1h得到透明溶液C，随后称取0.3g粒径为30～100nm硅粉超声分散于溶液C中制得混合均匀的体系D；将上述均匀体系D转移至聚四氟乙烯内胆瓶中，通入保护气氛排除氧气，反应釜放入设定温度为180℃的烘箱/油浴锅，反应6h后取出，冷却至室温得到水热后的产物；将水热炭化得到的产物进行抽滤，依次用蒸馏水和无水乙醇作为洗涤溶剂，将抽滤后所得的沉淀物放入60℃烘箱中12h，冷却至室温后在氩气保护气氛下于800℃煅烧3h后即得到硅/多孔碳复合负极材料。
从硅/多孔碳复合负极材料扫描电镜及透射电镜图（图11）可见，制备的硅/多孔碳复合负极材料为120～150nm的单分散球形颗粒，每颗硅颗粒被厚度大约为15～18nm的多孔碳层包覆，这种结构有利于在充放电过程中想成较为稳定的SEI膜。从图12可见，制备出的硅/多孔碳复合负极材料具有较高的比表面积（197.9m2/g），多孔碳层中的孔径大小约为4～5nm。从其X射线粉末衍射图（图13）上可见，制备的硅/碳复合负极材料在2θ=28.4°、47.4°、56.2°、69.2°和76.5°处有明显的特征衍射峰分别对应于(111)、(220)、(311)、(400)和(331)晶面，与晶体硅的标准XRD谱图一致(JCPDS No.27-1402)。除此之外，在2θ=23°和43°处有两个微微隆起的“馒头峰”对应着复合材料中的碳层为非晶型结构。从拉曼光谱图（图14）上可见，原硅材料及制备的硅/碳复合负极材料在295、510和940cm-1波长处都出现明显的特征峰，通过比对两者的谱图发现，复合材料在这三个波长处的拉曼特征峰有些许的向低波数平移，这由于碳包覆产生的效应。同时对比还发现，复合材料在1350以及1600cm-1出现了表示碳拉曼活性峰，分别对应于碳的D峰和G峰，分别对应碳中无定形结构碳的存在以及G峰碳中的石墨化碳的存在。
极片及电池的制备：按质量百分比为70%的硅/多孔碳复合材料作为负极活性材料、10%的CMC水溶液（粘度为300-1200cps.）作为粘结剂，20%的乙炔黑导电剂混合，用水为溶剂调成粘度为2000-4000cps负极膏体，20μm厚的铜箔作为集流体，用涂膜机涂敷到铜箔上，与真空烘箱中在60℃下烘干成极片，用冲片机剪切成负极片；以锂片为对电极，以聚乙烯膜为隔膜，以1M LiPF6/EC：DEC：DMC(v：v：v=1：1：1)（5%FEC为添加剂）为电解液组装扣式电池（CR2025）进行恒电流充放电测试，电压范围为0.01-1.50V，电流密度为400mA/g。
从图15可见，原硅粉的首次库伦效率为70%，经过20次循环后放电比容量降到490mAh/g，而当F127和葡萄糖的质量比为1:10时制备的硅/碳复合负极材料的首次库伦效率为90%，经过100次循环后放电比容量维持在1607mAh/g。从图16可见，硅/多孔碳复合材料作为锂离子电池的负极材料的高频区阻抗值（Rct+Rsf）明显小于原硅粉制成的电极材料的高频区阻抗值。且经过20循环以后，硅/多孔碳复合材料作为锂离子电池的负极材料高频区阻抗值（Rct+Rsf）值变化不大。表明多孔碳的包覆有利于提高材料中锂离子和电子在充放电过程的迁移。从原硅粉和硅/多孔碳复合材料的前四次循环伏安曲线对比中可以看出（图17），在首次循环后，硅/多孔碳复合材料的循环伏安扫描曲线基本吻合，表明了复合材料具有较为稳定的电化学性能。

Claims (6)

1.一种锂离子电池碳硅复合负极材料，其特征在于，所述负极材料是在于单颗硅颗粒表面包覆有一层均匀的碳包覆层或杂元素掺杂碳包覆层或多孔碳包覆层；所述杂元素选自氮或硫。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池碳硅复合负极材料，其特征在于，所述硅颗粒为硅粉，硅粉粒径为30～100nm。
3.一种权利要求1或2所述的锂离子电池碳硅复合负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、选择以下方式制备碳硅均匀体系：往纯碳源或杂元素掺杂碳源或掺杂软模板/造孔剂的碳源的水溶液中加入硅粉制得混合均匀的体系；所述碳源和硅粉的质量比为1:1～10:1，所述碳源跟水的质量比为0.033:1～0.28:1；
所述纯碳源的水溶液的制备：将纯碳源溶于水中得到纯碳源的水溶液；
所述杂元素掺杂碳源的水溶液的制备包括以下步骤：将分散介质溶于水中，然后加入杂元素源搅拌，然后再加入碳源搅拌4～10小时得到杂元素掺杂碳源的水溶液；所述杂元素选自氮或硫，所述杂元素源选自聚(3,4-乙撑二氧噻吩)、3,4-乙撑二氧噻吩、壳聚糖、甲壳素、聚吡咯、吡咯或聚苯胺类物质中的一种；所述分散介质为聚苯乙烯磺酸或对甲苯磺酸；所述杂元素源与碳源的质量比为1:10～3:10；所述分散介质与杂元素源的质量比为1.93:1～5.8:1；
所述掺杂软模板/造孔剂的碳源的水溶液的制备包括以下步骤：将碳源的水溶液跟软模板/造孔剂的水溶液混合搅拌得到掺杂软模板/造孔剂的碳源的水溶液；所述软模板/造孔剂与碳源的质量比为1:10～1:30；所述软模板/造孔剂为有机F127表面活性剂；
b、将步骤a得到的碳硅均匀体系转移至反应釜，通入保护气氛排除氧气，110～180℃下进行水热处理，反应时间为4～12h，得到水热炭化后的产物；
c、将步骤b水热炭化得到的产物进行抽滤，依次用蒸馏水和无水乙醇进行洗涤，干燥后在氩气保护气氛下煅烧得到硅/碳复合负极材料或硅/杂元素掺杂碳复合锂离子电池负极材料或硅/多孔碳复合负极材料。
4.根据权利要求3所述的锂离子电池碳硅复合负极材料的制备方法，其特征在于，所述碳源选自葡萄糖、蔗糖、环糊精、糠醛、水杨醛或羟甲基糠醛中的一种。
5.根据权利要求3所述的锂离子电池碳硅复合负极材料的制备方法，其特征在于，步骤c所述煅烧是在400～800℃煅烧2～4h。
6.根据权利要求3所述的锂离子电池碳硅复合负极材料的制备方法，其特征在于，所述硅粉粒径为30～100nm。
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