CN111072038A - 一种用于锂离子电池负极的改性一氧化硅材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种改性一氧化硅材料及其制备方法。所述改性一氧化硅材料是一种用于锂电池负极的改性一氧化硅材料，所述改性一氧化硅材料是通过将原料硅、二氧化硅和金属硅酸盐在高温、真空条件下发生反应制备一氧化硅，同时在制备过程中金属蒸汽和一氧化硅反应并原位形成金属硅酸盐；在其内部，金属硅酸盐均匀分散在硅和一氧化硅的周围形成含硅颗粒，碳材料包覆在所述含硅颗粒的表面。本发明所述的改性一氧化硅材料中硅酸盐均匀分散、碳材料均匀包覆，在作为锂离子电池负极材料时表现出高的比容量、高的首次库伦效率、优异的循环性能和倍率性能。而且本发明制备方法原材料价格低廉，有利于工业化实施，使该改性一氧化硅具有非常广阔的应用前景。

Description

一种用于锂离子电池负极的改性一氧化硅材料及其制备方法
技术领域
本发明属于电池技术领域，具体涉及一种改性一氧化硅及其制备方法以及含有所述改性一氧化硅的电池负极和锂离子电池。
背景技术：
自1991年索尼公司推广到市场上以来，由于具有高质量能量密度、高体积能量密度、高功率密度、长循环寿命和低自放电率等优点，锂离子电池已经成为目前最重要的储能设备。锂离子电池除了在消费电子领域如笔记本电脑、移动电话和医疗电子设备中有非常重要的应用以外，近年来在电动交通工具领域也展现出应用优势，是不可再生的石油资源的绿色环保的替代品。此外，锂离子电池还是太阳能、风能及潮汐能等间断性可再生资源的理想储存设备，可缓解传统能源造成的环境污染等问题。然而，目前的锂离子电池的能量密度在210Wh/kg左右，使用这种锂离子电池的电动交通工具与传统燃油车的续航里程还有很大的差距。其较高的成本以及较差的循环性能也阻碍了在规模储能和可再生储能系统中的应用。
目前最成熟的锂离子电池是以理论比容量为372mAh/g的石墨为负极，理论比容量小于200mAh/g的锂金属氧化物如LiCoO2,LiMn2O4,LiFePO4,LiCo1/3Mn1/3Ni1/3O2等为正极制成的。随着对正极材料的研究不断深入以及正极材料的更新换代，下一代具有超高容量的负极材料如硅基负极材料也逐渐被开发出来，硅基材料的理论比容量可达到4200mAh/g，有望大幅度提升电池的能量密度。然而，硅基负极的实际应用也面临着巨大的挑战，如充放电过程中存在约300％的体积变化以及不稳定的固态电解质界面(SEI)，都会严重降低硅基材料的循环稳定性和使用寿命。尽管科研人员进行了大量的纳米结构、包覆结构、粘结剂以及各种添加剂的设计并取得了一定程度的进展，但巨大的体积变化、不稳定的SEI以及不可逆的锂消耗在硅基全电池中还普遍存在，使硅基负极的实际应用受到严重影响。
当把电池的能量密度作为正极材料和负极材料的比容量的函数来计算，假设正极材料的比容量为200mAh/g时，负极材料的比容量如果超过2500mAh/g就对整体的能量密度影响较小了。出于这种考虑，一氧化硅负极就具有非常高的应用价值，因为它的首次放电比容量在2200-2500mAh/g之间，并且在充放电过程中Li与一氧化硅反应会不可逆的生成Li2O和硅酸锂，起到对锂硅合金的体积膨胀的缓冲作用，从而比硅材料拥有更长的循环寿命。然而，这种不可逆的Li消耗严重降低了一氧化硅作为负极材料时的首次库伦效率，而且仅仅依靠这种首次充放电过程中形成的Li2O和硅酸锂的缓冲层还不能有效的减少一氧化硅的体积膨胀(约200％)。最近，很多研究通过预锂化的方法有效的提升了一氧化硅的首次库伦效率，预锂化可以有效消除一氧化硅中在首次充放电过程中不可逆消耗锂离子的氧的组分，从而减少活性锂离子第一次嵌入时的损失。然而预锂化的方法一般都是通过对制备好的一氧化硅材料进行的，很难把其中非活性组分氧有效的消除掉，而且一氧化硅本身结构比较致密，因此预锂化对抑制缓解负极的体积膨胀的作用不明显。
有现有技术将硅、二氧化硅和镁粉等金属预先混合，然后加热产生一氧化硅蒸汽和具有还原性金属的蒸汽，沉积发生化学反应得到硅、一氧化硅和金属硅酸盐体系的。但是，上述方法工艺条件难以控制，氧化硅的蒸汽和金属(比如镁、锂)的蒸汽蒸发速度不同，在沉积区不同的时间所得材料中硅酸盐的含量不同，并且硅酸盐分散的不够均匀，所得体系不够均匀，进而影响电池的性能。
本发明人在前的申请号为“201910907245.5”专利申请公开了一种锂电池硅基复合负极材料的制备方法，其中为了使硅酸镁沉积渗入的更加均匀，采用的技术手段是在能与氧化硅反应形成硅酸盐的物料中含有部分合金，同时将硅基材料和金属物质分别在两个以上的加热炉中分别形成蒸汽，并且控制蒸汽的流速来实现硅酸盐的均匀渗入。但是该方法需要精细对两个加热炉的加热条件和流速进行控制才能做到均匀沉积，并不有利于工业化的大规模生产。
因此，亟需开发一种能够更均匀，稳定的将硅酸盐分散在硅基负极材料中的方法，进而能够进一步提高锂离子电池的电化学性能。
发明内容
本发明的目的在于解决现有锂电池负极材料掺有硅酸盐时，分散不够均匀、稳定，进而导致锂电池的循环性能差和首次库伦效率低，提供了一种用于锂离子电池负极的改性一氧化硅材料及其制备方法。具体是通过在一氧化硅制备过程中原位掺入金属硅酸盐实现的，在其内部，金属硅酸盐均匀分散在硅和一氧化硅的周围形成含硅颗粒，碳材料包覆在所述含硅颗粒的表面，并渗入含硅颗粒的孔隙。内部均匀分散的硅酸盐，是和一氧化硅中的氧反应形成的，提前消耗了材料中的非活性成分氧，有效减少首次充放电过程中对活性锂离子的消耗，提升首次充放电的库伦效率；在其内部，金属硅酸盐均匀分散在硅和一氧化硅的周围形成含硅颗粒，均匀分散的硅酸盐是在改性一氧化硅材料制备过程中原位引入的，可以把一氧化硅中与锂离子反应的有效组分分隔开，从而使材料的整体体积膨胀率降低，并且减少后续充放电过程中硅颗粒不可避免的团聚，实现更良好的缓冲作用，进而有效提升了锂离子电池负极材料的循环寿命。
本发明的第一个目的是提供一种用于锂电池负极的改性一氧化硅材料，所述改性一氧化硅材料是通过将原料硅、二氧化硅和金属硅酸盐在高温、真空条件下发生反应制备一氧化硅，同时产生的金属蒸汽和一氧化硅反应原位掺入金属硅酸盐；在其内部，金属硅酸盐均匀分散在硅和一氧化硅的周围形成含硅颗粒，碳材料包覆在所述含硅颗粒的表面。
所述金属硅酸盐为镁和/或锂的硅酸盐，具体化学式包括但不限于Li2Si5O11，Li6Si2O7，Li8SiO6，Li2Si2O5，Li2SiO3，Li4SiO4，Mg2Si3O8，MgSiO3，Mg2SiO4中的一种或多种；优选为MgSiO3和Li2Si2O5的复配。
所述MgSiO3和Li2Si2O5的复配是MgSiO3和Li2Si2O5按照质量比4-6:1-2的比例的复配。
可使产物中同时也存在一定比例的硅酸锂和硅酸镁，硅酸镁能有效缓冲体积膨胀，而硅酸锂能保证锂离子在改性一氧化硅材料中的传输。
所述碳包覆是指碳材料通过气相沉积包覆在含硅颗粒的表面，并渗入含硅颗粒的孔隙，形成的碳包覆层厚度为1-20nm，优选碳包覆层厚度为5-15nm。
优选地，本发明改性一氧化硅的总质量为100％计，其中碳包覆层的质量百分含量为2-10wt％，更加优选含量为4-8wt％。
具体来讲，当碳包覆层的质量百分含量低于2％时，不能起到有效的碳包覆的效果，无法有效地提升负极材料电子导电性，使材料的电接触变差，容量不能正常发挥；当碳包覆层的质量百分含量高于10％时，碳包覆层的厚度过厚，不利于锂离子的快速传输，而且改性一氧化硅材料的比表面积明显增大，与电解液发生的副反应增多，使改性一氧化硅的首次库伦效率降低。
本发明的第二个目的是提供所述改性一氧化硅材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将原料硅、二氧化硅、金属硅酸盐和水均匀混合，喷雾干燥成各组分均匀分布的原材料微球，并将该原材料微球压块后烘干；
(2)将压制成型的原材料块体装入具有冷凝收集系统的真空炉设备，在高温减压条件下加热使原材料块体蒸发后冷凝沉积，并将沉积得到的块体破碎，制得含硅颗粒；
(3)将含硅颗粒进行碳包覆，形成碳包覆层，得到所述改性一氧化硅材料。
步骤(1)中所述混合均匀的方法可以是液相球磨，具体是在转速为500-1000r/min的转速下球磨2-5h，最终得到固含量15-30％的浆料。
优选地，步骤(1)中所述原材料为硅、二氧化硅和硅酸盐的用量配比满足步骤(1)中所述原材料为硅、二氧化硅和硅酸盐的用量配比满足硅和氧的摩尔比为1：0.6-1.4，优选为1：0.8-1.2。
当所述原材料中硅和氧的摩尔比大于1：0.6时，硅过量的太多，使材料制备过程中有较多的硅未能利用，反应效率较低；而当原材料中硅和氧的摩尔比小于1：1.4时，原材料中的氧太多使生成的一氧化硅的量较少，产率较低，且反应得到的改性一氧化硅的氧含量过大，得到的改性一氧化硅材料的首次库伦效率较低。
进一步优选地，所述原材料组合中硅和硅酸盐中的金属元素的摩尔比为1：0.02-1：0.2，优选为1：0.05-1：0.15。
当所述原材料组合中硅和硅酸盐中的金属元素的摩尔比大于1：0.02时，则掺入的硅酸盐的量太少，不能起到缓冲体积膨胀和提升首次库伦效率的作用；而当原材料组合中硅和硅酸盐中的金属元素的摩尔比小于1：0.2时，则掺入的硅酸盐的量太多，会严重降低改性一氧化硅材料的比容量。
步骤(2)中真空炉的加热系统使物料反应区的温度达到1200-1500℃，优选为1300-1400℃，真空系统可控制整个反应区和沉积区的真空度为1-50Pa，优选为5-20Pa，冷凝沉积区的温度可控制为400-700℃，优选为500-600℃。
步骤(2)中所述原材料蒸发时伴随着原材料之间的反应，可产生一氧化硅气体和用于改性一氧化硅的另一种或多种气体，一般为改性一氧化硅中硅酸盐中的金属组分的气体。
优选地，步骤(2)中所述破碎前经过热处理，以进一步使活性金属组分生成硅酸盐，所述热处理可以使用静态烧结或动态烧结，使用具有气氛保护的箱式炉、推板窑、回转炉等设备，加热到600-900℃保温0.5-3h后再进行破碎等处理。
可选地，步骤(1)中所述压块是指将喷雾干燥得到的粉体材料用液压成型设备压制，使各组分之间紧密接触，利于后续反应的进行；所述烘干可以用鼓风干燥箱、真空烘箱、滚筒式烘干设备、回转炉等设备在50-100℃条件下烘干0.5-5h，以充分除去水分，也可以使用冷冻干燥、闪蒸干燥等烘干方法。
可选地，步骤(2)中所述破碎可通过球磨、砂磨、机械粉碎、气流粉碎等常用的粉碎方式将沉积得到的块体材料粉碎成合适粒度。
可选地，优选地，步骤(3)中所述碳包覆是通过化学气相沉积法实现的，所述化学气相沉积法的碳源可以为乙炔、甲烷、丙烷、乙烯中的一种或多种组合。碳包覆在通如碳源气体之前可经过氢气或者氢氩混合气的预处理，其中，氢氩混合气中氢气的比例不小于10％，所述预处理时的温度不低于600℃，不高于1000℃，所述预处理的时间为10min-2h。步骤(3)中所述碳包覆的包覆温度为600-1000℃，优选为700-1000℃，所述碳包覆的时间为1-2.5h。步骤(3)中所述碳包覆层为均匀的无定形碳层、垂直生长的石墨烯片层或者堆叠分布的石墨烯片层。
本发明的第三个目的是提供所述改性一氧化硅材料作为负极材料在锂离子电池中的应用。
本发明的原理是原料中的硅和二氧化硅在高温低压的条件下反应形成一氧化硅蒸汽，金属硅酸盐会分解为金属的蒸汽和二氧化硅蒸汽，金属蒸汽和氧化硅反应形成硅酸盐，最后一起沉积在冷凝沉积区形成渗入有硅酸盐的一氧化硅负极材料。通过对真空炉中加热温度和真空度的匹配，使得硅酸盐沉积时，能够均匀、稳定地渗入一氧化硅材料的内部，有助于提升负极材料的电化学性能，并且有助于碳材料更均匀地包覆在含硅颗粒的表面，使得组装制备得到的锂离子电池电化学性能提高，首次库伦效率和循环稳定性都得到了明显提升。
与现有技术相比，本发明提供的改性一氧化硅材料的优势在于：
一、制得的改性一氧化硅本身就分散有硅酸盐，能有效减少首次充放电过程中对活性锂离子的消耗，降低首次不可逆容量，提升首次充放电的库伦效率。改性一氧化硅是在一氧化硅制备过程中，原位将硅酸盐均匀的分散在材料内部，能把与锂离子反应的有效组分分隔开，从而使材料的整体体积膨胀率降低，减少在后续充放电过程中硅颗粒的团聚，更有效的抑制充放电过程中的体积膨胀，而不是仅靠后续的锂化形成的缓冲层，因此制得的改性一氧化硅拥有更小的体积膨胀率和更高的首次库伦效率。
二、改性后的一氧化硅，碳材料同时也能够更为均匀、稳定地包覆在一氧化硅材料表面有利于提升材料的导电性，提升复合材料的倍率性能的同时增加颗粒之间的接触位点，减少电极片的内阻。同时，表面均匀的无定形或者石墨烯状的碳包覆能一定程度上缓冲内部体积膨胀产生的应力，维持颗粒的完整性，减少固态电解质界面的不断生长，提升材料的循环寿命。
三、本发明通过一种简单的方法，只需要对原料配比和真空炉的温度和真空度进行控制，即可得到了硅酸盐均匀分散、碳材料均匀包覆的改性一氧化硅材料，而且原材料价格低廉，有利于工业化实施，使该改性一氧化硅具有非常广阔的应用前景。
附图说明
图1为实施例1制得的改性一氧化硅负极材料的扫描电子显微镜照片。
图2为实施例1制得的改性一氧化硅负极材料的透射电子显微镜照片。
图3为实施例1制得的改性一氧化硅负极材料的X射线衍射谱。
图4为实施例1制得的改性一氧化硅负极材料的电镜照片和硅、氧及掺入元素的元素分布图。
图5为对比例5制得的改性一氧化硅负极材料的X射线衍射谱。
图6为对比例5制得的改性一氧化硅负极材料的扫描电子显微镜照片。
图7为对比例5制得的改性一氧化硅负极材料的电镜照片和硅、氧及掺入元素的元素分布图。
图8为实施例1制得的改性一氧化硅负极材料的充放电曲线。
图9为实施例1制得的改性一氧化硅负极材料的循环性能曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
扫描电镜(SEM)为电子扫描电镜JEOL-6701F，透射电镜(TEM)采用JEM-2100F。
实施例1
(1)将8.225kg硅粉，8.625kg二氧化硅和5kg MgSiO3粉末，2kg Li2Si2O5粉末与95L水加入球磨机中，在600r/min的转速下球磨3h，得到固含量约20％的浆料，然后将该浆料经过喷雾干燥处理形成各组分均匀分布的原材料微球，并将该原材料微球使用液压成型机压制成块，然后在60℃的真空烘箱中烘干3h，干燥得到原材料块体；
(2)将压制成型的原材料块体装入一氧化硅制备设备的加热区，将真空抽至5Pa附近开始以50℃每分的加热速率加热，加热到1300℃后保温20h，同时维持收集区的温度为500℃，之后冷却至室温，取出沉积得到的块体材料，鄂破机将其破碎至0.1-10mm的粗颗粒，然后使用辊式破碎机以0.1mm的间距辊压两次，使粗颗粒进一步破碎至不大于3mm，之后加入到回转炉中700℃保温1h，然后自然降温后用气流粉碎破碎到中值粒径约为5μm；
(3)步骤(2)得到的破碎后的颗粒加入到CVD气相沉积炉中，以5℃每分钟的升温速率升温到960℃，然后通入10％的氢氩混合气0.5h后再通入甲烷，对材料表面进行碳包覆。实施例1所获得材料的电化学性能测试结果列于表1。
图1为实施例1所制得改性一氧化硅材料的扫描电镜照片，粒径约为5μm。可以看出表面有片层状的碳材料包覆，且碳材料片层垂直于材料的表面生长，有利于材料在充放电过程中锂离子的嵌入，进而提升材料的快速充放电的能力，此外，垂直片层的碳包覆在硅基负极材料体积膨胀的过程中会继续贴合在材料的表面，从而维持材料界面的稳定性，改善材料的循环性能。
图2为实施例1制得改性一氧化硅材料的透射电镜照片，可以看出该材料表面碳层的微观结构，可看到垂直于材料表面的分布情况和类似于石墨烯状的结构，这种结构可以有效提升材料的电子导电性和锂离子的嵌入速度，增加材料的稳定性。
用X射线衍射分析仪(XRD，Rigaku D/max 2500，Cu Kα)分析复合材料的结晶情况图3是实施例1所制得改性一氧化硅材料的XRD衍射图谱。在28°，47°和56°的位置出现的硅的衍射峰较弱，表明材料具有较小的硅的晶区，有利于充放电循环过程中材料本体保持稳定，且在31°和35°出现了属于硅酸镁的特征峰，可证明材料中掺入了硅酸镁。
图4是实施例1制得改性一氧化硅材料的电镜照片和硅、氧、镁的元素分布图，可以看出镁元素与硅元素和氧元素均匀的分散在颗粒相对应的位置，镁元素均匀的分布在整个颗粒中，元素信号均匀无团聚。
用马尔文激光粒度仪(Malvern,Mastersizer 3000)测量该改性一氧化硅材料的粒度，得其中值粒径为4.9μm。
实施例2
其他操作同实施例1，区别在于原料的用量改为7.5kg硅粉，10.5kg二氧化硅和5kgMgSiO3粉末与90L水。
实施例3
其他操作同实施例1，区别在于原料的用量改为4.9kg硅粉，7.5kg二氧化硅和2.5kg Li2Si2O5粉末与60L水。
实施例4
其他操作同实施例1，区别在于原料的用量改为7.7kg硅粉，12kg二氧化硅和3.5kgMg2SiO4粉末与90L水。
实施例5
其他操作同实施例1，区别在于原料的用量改为8.05kg硅粉，10.5kg二氧化硅和5.25kg Mg2SiO4粉末与95L水。
实施例6
其他操作同实施例1，区别在于原料的用量改为7.35kg硅粉，13.5kg二氧化硅和1.75kg Mg2SiO4粉末与90L水。
实施例7
其他操作同实施例1，区别在于真空抽至20Pa附近开始以50℃每分的加热速率加热，加热到1400℃后保温20h。
实施例8
其他操作同实施例1，区别在于真空抽至5Pa附近开始以50℃每分的加热速率加热，加热到1300℃后保温20h。
实施例9
其他操作同实施例1，区别在于真空抽至30Pa附近开始以50℃每分的加热速率加热，加热到1500℃后保温20h。
实施例10
其他操作同实施例1，区别在于冷凝沉积收集区的温度为600℃。
实施例11
其他操作同实施例1，区别在于冷凝沉积收集区的温度为400℃。
实施例12
其他操作同实施例1，区别在于冷凝沉积收集区的温度为700℃。
对比例1
其他操作同实施例1，区别在于原料的用量改为7.5kg硅粉，10.5kg二氧化硅，1.2kg镁粉与70L水。
对比例2
其他操作同实施例1，区别在于原料的用量改为7.5kg硅粉，10.5kg二氧化硅，2.9kg氢氧化镁与70L水。
对比例3
其他操作同实施例1，区别在于原料的用量改为7.7kg硅粉，13.5kg二氧化硅和1.2kg LiOH粉末与90L水。
对比例4
其他操作同实施例1，区别在于原料的用量改为8.4kg硅粉，12kg二氧化硅和4.2kgMgCO3粉末与100L水。
对比例5
其他操作同实施例1，区别在于原料的用量改为7.5kg硅粉，10.5kg二氧化硅，0.6kg镁粉和0.6kg LiOH粉末与100L水。
X射线衍射谱如图5所示，可以看出除了在28°，47°和56°的位置出现的硅的衍射峰以外，还出现了硅酸镁和硅酸锂的衍射峰，这证明经过该方法制得的材料掺入了硅酸镁和硅酸锂。
扫描电镜照片如图6所示，颗粒表面为均匀连续的包覆层，没有垂直的碳层结构，而且采用此对比例得到的材料由于掺入元素形成的硅酸盐分布不均匀，致使材料整体较为疏松，在粉碎过程中产生较多的细粉。
该对比例得到材料的电镜照片和硅、氧、镁元素分布图如图7所示，可以看出镁元素与硅元素和氧元素虽然也分散在颗粒相对应的位置，但是镁元素对应的位置与硅和氧不同，出现了团聚的现象，镁元素的分布明显为颗粒状的，证明了该方法得到的镁元素的掺杂是不均匀的，进而导致负极材料的电化学性能。
应用例
将实施例和对比例制备所得硅基负极材料的电化学性能均按照下述方法进行测试：将制备得到的改性一氧化硅负极材料、碳黑和羧甲基纤维素(CMC)与丁苯橡胶(SBR)复合粘结剂以质量比80:10:10混合配成浆料(其中CMC和SBR的质量比为1:1)，将该浆料均匀地涂敷到铜箔集流体上，并经真空干燥12h后制成工作电极；以锂薄片作为对电极，玻璃纤维膜(购自英国Whatman公司)作为隔膜，1mol/L LiPF6(溶剂为体积比1:1的碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯混合液)作为电解液，电解液中添加体积分数为1％的VC和5％的FEC，在氩气氛围的德国布劳恩惰性气体手套箱中组装成扣式电池。
对实施例1改性一氧化硅材料进行电化学分析测试，结果如图8所示。充放电区间为0-1.5V，在电流密度为278mA/g(0.2C)下充放电，材料容量可达1389mAh/g，首圈库伦效率为83.9％，图9是电池循环400圈的容量保持率曲线，容量保持高达91.3％，证明本发明所得改性一氧化硅材料具有较高的容量和优异的循环性能。
按照上述方法对其他实施例和对比例的负极材料进行充放电测试，结果如下表1所示：
表1
Figure BDA0002340779940000091
Figure BDA0002340779940000101
综上所述，本发明的制备方法简单高效，得到的改性一氧化硅材料在作为锂离子电池负极材料使用时，具有高首次库伦效率、良好的倍率性能和循环性能，电化学性能优异。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种用于锂电池负极的改性一氧化硅材料，所述改性一氧化硅材料是通过将原料硅、二氧化硅和金属硅酸盐在高温、真空条件下发生反应制备一氧化硅，同时产生的金属蒸汽和一氧化硅反应原位掺入金属硅酸盐；在其内部，金属硅酸盐均匀分散在硅和一氧化硅的周围形成含硅颗粒，碳材料包覆在所述含硅颗粒的表面。
2.如权利要求1所述的改性一氧化硅材料，其特征在于，所述金属硅酸盐为镁和/或锂的硅酸盐，具体化学式包括但不限于Li2Si5O11，Li6Si2O7，Li8SiO6，Li2Si2O5，Li2SiO3，Li4SiO4，Mg2Si3O8，MgSiO3，Mg2SiO4中的一种或多种；优选为MgSiO3和Li2Si2O5的复配。
3.权利要求2所述的改性一氧化硅材料，其特征在于，所述MgSiO3和Li2Si2O5的复配是MgSiO3和Li2Si2O5按照质量比4-6:1-2的复配。
4.如权利要求1所述的改性一氧化硅材料，其特征在于，所述碳包覆是指碳材料通过气相沉积包覆在含硅颗粒的表面，并渗入含硅颗粒的孔隙，形成的碳包覆层厚度为1-20nm，优选碳包覆层厚度为5-15nm。
5.如权利要求4所述的改性一氧化硅材料，其特征在于，以改性一氧化硅的总质量为100％计，其中碳包覆层的质量百分含量为2-10wt％，优选含量为4-8wt％。
6.权利要求1-5任一项所述改性一氧化硅材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将原料硅、二氧化硅、金属硅酸盐和水均匀混合，喷雾干燥成各组分均匀分布的原材料微球，并将该原材料微球压块后烘干；
(2)将压制成型的原材料块体装入具有冷凝收集系统的真空炉设备，在高温减压条件下加热使原材料块体蒸发后冷凝沉积，并将沉积得到的块体破碎，制得含硅颗粒；
(3)将含硅颗粒进行碳包覆，形成碳包覆层，得到所述改性一氧化硅材料。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述原材料为硅、二氧化硅和硅酸盐的用量配比满足硅和氧的摩尔比为1：0.6-1.4，优选为1：0.8-1.2。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述原材料组合中硅和硅酸盐中的金属元素的摩尔比为1：0.02-1：0.2，优选为1：0.05-1：0.15。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(2)中真空炉的加热系统使物料反应区的温度达到1200-1500℃，优选为1300-1400℃；真空系统可控制整个反应区和沉积区的真空度为1-50Pa，优选为5-20Pa；冷凝沉积区的温度可控制为400-700℃，优选为500-600℃。
10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述破碎前经过600-900℃保温0.5-3h的热处理。
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