CN117174882A - 硅碳复合材料及其制备方法、负极极片、二次电池和用电装置 - Google Patents

硅碳复合材料及其制备方法、负极极片、二次电池和用电装置 Download PDF

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CN117174882A
CN117174882A CN202311444808.4A CN202311444808A CN117174882A CN 117174882 A CN117174882 A CN 117174882A CN 202311444808 A CN202311444808 A CN 202311444808A CN 117174882 A CN117174882 A CN 117174882A
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吴凯
陈宁
史东洋
邓亚茜
刘智
吕瑞景
程志鹏
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Contemporary Amperex Technology Co Ltd
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Abstract

本申请涉及一种硅碳复合材料及其制备方法、负极极片、二次电池和用电装置。所述硅碳复合材料包括多孔碳基体以及位于所述多孔碳基体的孔隙内的硅基材料层，所述硅基材料层包括亚纳米硅团簇以及亚纳米碳化硅团簇，所述亚纳米碳化硅团簇的表面与所述亚纳米硅团簇的表面相接触。所述硅碳复合材料的膨胀性小，循环性能和快充性能好，且还能够具有较高的能量密度。

Description

硅碳复合材料及其制备方法、负极极片、二次电池和用电装置
技术领域
本申请涉及电池材料技术领域，特别是涉及一种硅碳复合材料及其制备方法、负极极片、二次电池和用电装置。
背景技术
近年来，随着锂离子电池的应用范围越来越广泛，锂离子电池广泛应用于水力、火力、风力和太阳能电站等储能电源系统，以及电动工具、电动自行车、电动摩托车、电动汽车、军事装备、航空航天等多个领域。由于锂离子电池取得了极大的发展，因此对其能量密度、循环性能和安全性能等也提出了更高的要求。
硅基材料因远高于碳基材料的容量而得到关注，因为更高的容量意味着可以实现更高的能量密度。然而，硅基材料在充放电过程中会产生巨大的体积变化(>300％)，这种变化将造成材料结构破坏、颗粒粉化，进而导致电极容量快速衰减，甚至电极失效。因此目前极片制作时常将硅基材料与碳基材料复合使用。但是，目前的硅碳复合材料依然存在高膨胀、循环寿命短的问题。
发明内容
本申请提供一种低膨胀、循环寿命长的硅碳复合材料及其制备方法，以及使用该硅碳复合材料的负极极片、二次电池和用电装置。
本申请的第一方面，提供一种硅碳复合材料，包括多孔碳基体以及位于所述多孔碳基体的孔隙内的硅基材料层，所述硅基材料层包括亚纳米硅团簇以及亚纳米碳化硅团簇，所述亚纳米碳化硅团簇的表面与所述亚纳米硅团簇的表面相接触。
上述硅碳复合材料通过将硅基材料层设置在多孔碳基体的孔隙内，孔隙可为硅的膨胀预留空间，进而减少硅碳复合材料颗粒的破碎，提升循环寿命。同时，碳化硅的存在限制了硅的尺寸增长，促使亚纳米硅团簇的形成，最终形成表面相接触的亚纳米碳化硅团簇与所述亚纳米硅团簇，相比较传统的纳米硅，亚纳米硅团簇的膨胀性更小，降低材料的膨胀应力，进一步减少硅碳复合材料颗粒的破碎，提升循环性能。
在其中一个实施例中，所述亚纳米硅团簇的径向尺寸为0.2nm~1nm。
在其中一个实施例中，所述亚纳米碳化硅团簇的径向尺寸为0.2nm~1nm。
在其中一个实施例中，所述多孔碳基体的比表面积≥800m2/g。通过采用超高比表面积的多孔碳基体，能够实现更多的硅基材料沉积，进而提升材料的高能量密度。
可选地，所述多孔碳基体的比表面积为800m2/g~2000m2/g。
进一步可选地，所述多孔碳基体的比表面积为800m2/g~1700m2/g。
更进一步可选地，所述多孔碳基体的比表面积为800m2/g~1200m2/g。
在其中一个实施例中，所述硅基材料层的总体积＜所述孔隙的总体积。
可选地，所述硅基材料层的总体积占所述孔隙的总体积的10%~60%。如此一方面能够提升高能量密度，另一方面能够减少硅碳复合材料颗粒的破碎，提升循环性能，另外，还可以一定程度优化快充性能。
进一步可选地，所述硅基材料层的总体积占所述孔隙的总体积的10%~50%。
更进一步可选地，所述硅基材料层的总体积占所述孔隙的总体积的10%~30%。
在其中一个实施例中，所述硅基材料层的厚度＜所述孔隙的孔径。
可选地，所述孔隙的平均孔径为5nm~50nm。如此一方面能够提升高能量密度，另一方面能够减少硅碳复合材料颗粒的破碎，提升循环性能，另外，还能一定程度改善快充性能。
进一步可选地，所述孔隙的平均孔径为5nm~40nm。
更进一步可选地，所述孔隙的平均孔径为5nm~25nm。
可选地，所述硅基材料层的平均厚度为2nm~20nm。
进一步可选地，所述硅基材料层的平均厚度为2nm~18nm。
更进一步可选地，所述硅基材料层的平均厚度为2nm~10nm。
在其中一个实施例中，所述硅碳复合材料的粒径Dv50为3μm~30μm。如此一方面可减少循环过程中的副反应导致的循环性能恶化，另一方面减少离子的扩散距离，提升快充性能，另外还具有较好的循环寿命。
可选地，所述硅碳复合材料的粒径Dv50为10μm~30μm。
进一步可选地，所述硅碳复合材料的粒径Dv50为10μm~20μm。
在其中一个实施例中，所述多孔碳基体的表面还包覆有包覆层。
可选地，所述包覆层包括碳包覆层；进一步可选地，所述碳包覆层的材料包括无定型碳；可选地，所述包覆层的平均厚度为5nm~60nm。
在其中一个实施例中，所述硅碳复合材料中，硅元素的质量百分比为20%~40%，碳元素的质量百分比为60%~80%。
在其中一个实施例中，所述硅碳复合材料包括如下特征中的一项或两项：
（1）振实密度为0.7g/cm3~1.3g/cm3；
（2）比表面积为0.8m2/g ~1.5m2/g。
本申请的第二方面，提供一种硅碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：
于多孔碳基体的孔隙内沉积硅基材料层，所述硅基材料层包括亚纳米硅团簇以及碳化硅团簇，所述碳化硅团簇的表面与所述亚纳米硅团簇的表面相接触。
上述制备方法步骤简单，适用于工业化推广应用。
在其中一个实施例中，于多孔碳基体的孔隙内沉积硅基材料层包括：
将多孔碳基体置于反应容器中，通入硅源气体与碳源气体的混合气体进行气相沉积。
在其中一个实施例中，所述通入硅源气体与碳源气体的混合气体进行气相沉积包括如下特征中的一项或多项：
（1）所述混合气体中，所述硅源气体与所述碳源气体的体积为10:(1~5)；
（2）所述硅源气体包括SiH4；
（3）所述碳源气体包括C2H4；
（4）所述混合气体的流速为0.05L/min~0.2L/min；
（5）沉积温度为400℃~600℃；
（6）沉积时间为30min~2h。
在其中一个实施例中，沉积硅基材料层之后，还包括于所述多孔碳基体的表面制备包覆层的步骤；
可选地，于所述多孔碳基体的表面制备包覆层的方法包括气相沉积法。
在其中一个实施例中，所述多孔碳基体的制备方法包括模板法、酸碱活化法或热解法；可选地，所述多孔碳基体的制备方法包括酸碱活化法。
在其中一个实施例中，所述多孔碳基体的制备方法包括：
将模板剂、碳源和溶剂混合，制备碳溶液；
将所述碳溶液进行第一次热处理，然后干燥，制备膨胀碳前体；
将所述膨胀碳前体进行第二次热处理，制备碳化中间体；
去除所述碳化中间体中的模板剂，制备所述多孔碳基体。
在其中一个实施例中，所述多孔碳基体的制备方法具有如下所示特征中的一项或多项：
（1）所述模板剂与碳源的质量比为(1~10):1；
（2）第一次热处理的温度为70℃~90℃，时间为6h~10h；
（3）干燥的温度为120℃~140℃，时间为1h~4h；
（4）第二次热处理包括：以3℃/min~10℃/min的升温速率升温至400℃~600℃，保持2h~6h。
本申请的第三方面，提供一种负极极片，包括负极集流体以及设置在所述负极集流体至少一个表面上的负极活性材料层，所述负极活性材料层包括第一方面所述的硅碳复合材料和第二方面所述的制备方法制备得到的硅碳复合材料中的一种或多种。
本申请的负极极片包括本申请提供的硅碳复合材料，因而至少具有与所述硅碳复合材料相同的优势。
本申请的第四方面，提供一种二次电池，包括第三方面所述的负极极片。
本申请的二次电池包括本申请提供的负极极片，因而至少具有与所述负极极片相同的优势。
本申请的第五方面，提供一种用电装置，包括第三方面所述负极极片和第四方面所述的二次电池中的一种或多种。
本申请的用电装置包括本申请提供的负极极片或二次电池，因而至少具有与所述负极极片或二次电池相同的优势。
本申请的一个或多个实施例的细节在下面的附图和描述中提出。本申请的其他特征、目的和优点将通过说明书以及附图记载的内容而变得明显。
附图说明
为了更好地描述和说明本申请提供的实施例或示例，可以参考一幅或多幅附图。用于描述附图的附加细节或示例不应当被认为是对所公开的申请、目前描述的实施例或示例以及目前理解的这些申请的最佳模式中的任何一者的范围的限制。而且在全部附图中，用相同的附图标号表示相同的部件。在附图中：
图1为本申请一实施方式的电池单体的示意图；
图2为图1所示的本申请一实施方式的电池单体的分解图；
图3为本申请一实施方式的电池模块的示意图；
图4为本申请一实施方式的电池包的示意图；
图5为图4所示的本申请一实施方式的电池包的分解图；
图6为本申请一实施方式的二次电池用作电源的用电装置的示意图；
图7为本申请一实施方式的多孔碳基体的电镜图；
图8为本申请一实施方式的硅基材料层的电镜图；
图9为本申请一实施方式的硅碳复合材料的电镜图；
附图标记说明：
1电池包；2上箱体；3下箱体；4电池模块；5电池单体；51壳体；52电极组件；53盖板；6用电装置。
具体实施方式
以下，适当地参照附图详细描述了本申请的硅碳复合材料及其制备方法、负极极片、二次电池和用电装置的一些实施方式。但是会有省略非必要的详细说明的情况。例如，有省略对已众所周知的事项的详细说明、实际相同结构的重复说明的情况。这是为了避免以下的说明不必要地变得冗长，便于本领域技术人员的理解。此外，附图及以下说明是为了本领域技术人员充分理解本申请而提供的，并不旨在限定权利要求书所记载的主题。
本申请所公开的“范围”可以采用下限和上限的形式来限定，给定范围是通过选定一个下限和一个上限进行限定的，选定的下限和上限限定了特别范围的边界。这种方式进行限定的范围可以是包括端值或不包括端值的，任一个端值可以独立地被包括或不被包括，并且可以进行任意地组合，即任何下限可以与任何上限组合形成一个范围。例如，如果针对特定参数列出了60~120和80~110的范围，理解为60~110和80~120的范围也是预料到的。此外，如果列出的最小范围值1和2，且如果还列出了最大范围值3，4和5，则下面的范围可全部预料到：1~3、1~4、1~5、2~3、2~4和2~5。在本申请中，除非有其他说明，数值范围“a~b”表示a到b之间的任意实数组合的缩略表示，其中a和b都是实数。例如数值范围“0~5”表示本文中已经全部列出了“0~5”之间的全部实数，“0~5”只是这些数值组合的缩略表示。另外，当表述某个参数为≥2的整数，则相当于列出了该参数为例如整数2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12等。比如，当表述某个参数为选自“2~10”的整数，相当于列出了整数2、3、4、5、6、7、8、9和10。
本申请中涉及“多个”、“多种”等，如无特别限定，指在数量上大于2或等于2。例如，“一种或多种”表示一种或大于等于两种。
如果没有特别的说明，本申请的所有实施方式以及可选实施方式可以相互组合形成新的技术方案。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例或实施方式中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。在本文中提及的“实施方式”具有类似理解。
本领域技术人员可以理解，在各实施方式或实施例的方法中，各步骤的撰写顺序并不意味着严格的执行顺序而对实施过程构成任何限定，各步骤的详细执行顺序应当以其功能和可能的内在逻辑确定。如果没有特别的说明，本申请的所有步骤可以顺序进行，也可以随机进行，优选是顺序进行的。例如，所述方法包括步骤(a)和(b)，表示所述方法可包括顺序进行的步骤(a)和(b)，也可以包括顺序进行的步骤(b)和(a)。例如，所述提到所述方法还可包括步骤(c)，表示步骤(c)可以任意顺序加入到所述方法，例如，所述方法可以包括步骤(a)、(b)和(c)，也可包括步骤(a)、(c)和(b)，也可以包括步骤(c)、(a)和(b)等。
在本申请中，以“含有”、“包含”、“包括”等词语描述的开放式技术特征或技术方案中，如无其他说明，不排除所列成员之外的额外成员，可视为既提供了由所列成员构成的封闭式特征或方案，还提供了在所列成员之外还包括额外成员的开放式特征或方案。例如，A包括a1、a2和a3，如无其他说明，可以还包括其他成员，也可以不包括额外成员，可视为既提供了“A由a1、a2和a3组成”的特征或方案，还提供了“A不仅包括a1、a2和a3，还包括其他成员”的特征或方案。在本申请中，如无其他说明，A（如B），表示B为A中的一种非限制性示例，可以理解A不限于为B。
在本申请中，“可选地”、“可选的”、“可选”，指可有可无，也即指选自“有”或“无”两种并列方案中的任一种。如果一个技术方案中出现多处“可选”，如无特别说明，且无矛盾之处或相互制约关系，则每项“可选”各自独立。
传统的硅碳复合材料是将硅基材料直接与碳基材料进行混合，或在硅基材料的表面包覆碳基材料层，或将硅基材料与碳基材料造粒，这些材料对硅的含量限制较大，当硅含量过高时，膨胀仍然较大，使电极结构容易破坏，进而缩短循环寿命。
基于以上问题，本申请一些示例提供了一种硅碳复合材料，其包括多孔碳基体以及位于所述多孔碳基体的孔隙内的硅基材料层，所述硅基材料层包括亚纳米硅团簇以及亚纳米碳化硅团簇，所述亚纳米碳化硅团簇的表面与所述亚纳米硅团簇的表面相接触。
上述硅碳复合材料通过将硅基材料层设置在多孔碳基体的孔隙内，孔隙可为硅的膨胀预留空间，进而减少硅碳复合材料颗粒的破碎，提升循环寿命。同时，所述硅基材料层中，碳化硅的存在限制了硅的尺寸增长，促使亚纳米硅团簇的形成，最终形成表面相接触的亚纳米碳化硅团簇与所述亚纳米硅团簇，相比较传统的纳米硅，亚纳米硅团簇的膨胀性更小，降低了材料的膨胀应力，进一步减少硅碳复合材料颗粒的破碎，提升循环性能，且亚纳米硅团簇的径向尺寸更小，能够减少离子的扩散距离，改善固相扩散，提升快充性能。
另外，上述硅碳复合材料还能够兼顾硅基材料的高能量密度的特性。
可以理解地，硅基材料可通过如沉积等方法在多孔碳基体的孔隙内形成层结构。
进一步地，所述亚纳米硅团簇的径向尺寸为0.2nm~1nm。
进一步地，所述亚纳米碳化硅团簇的径向尺寸为0.2nm~1nm。
在其中一些示例中，所述多孔碳基体的比表面积≥800m2/g。通过采用超高比表面积的多孔碳基体，能够实现更多的硅基材料沉积，进而提升材料的高能量密度。进一步地，所述多孔碳基体的比表面积为800m2/g~2000m2/g。如此可以在高能量密度较高的情况下，提升循环性能。具体地，所述多孔碳基体的比表面积包括但不限于：800m2/g、900m2/g、1000m2/g、1100m2/g、1200m2/g、1300m2/g、1400m2/g、1500m2/g、1600m2/g、1700m2/g、1800m2/g、1900m2/g、2000m2/g或前述任两者之间的范围。进一步地，所述多孔碳基体的比表面积为800m2/g~1700m2/g。更进一步地，所述多孔碳基体的比表面积为800m2/g~1200m2/g。不作限制地，所述多孔碳基体的比表面积可以通过氮气等温吸脱附方法进行测定。
在其中一些示例中，所述硅基材料层的总体积＜所述孔隙的总体积。进一步地，所述硅基材料层的总体积占所述孔隙的总体积的10%~60%。如此一方面使硅基材料的含量较大，提升高能量密度，另一方面给硅基材料提供较多的膨胀空间，减少硅碳复合材料颗粒的破碎，提升循环性能，另外，还可以一定程度优化快充性能。具体地，所述硅基材料层的总体积占所述孔隙的总体积包括但不限于：10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%或前述任两者之间的范围。进一步地，所述硅基材料层的总体积占所述孔隙的总体积的10%~50%。更进一步地，所述硅基材料层的总体积占所述孔隙的总体积的10%~30%。不作限制地，可以通过计算沉积所述硅基材料层前后的多孔碳基体的孔容积（可采用氮气等温吸脱附方法测定）获得所述硅基材料层的总体积。
在其中一些示例中，所述硅基材料层的厚度＜所述孔隙的孔径。
进一步地，所述孔隙的平均孔径为5nm~50nm。如此一方面使硅基材料的含量较大，提升高能量密度，另一方面给硅基材料提供较多的膨胀空间，减少硅碳复合材料颗粒的破碎，提升循环性能，另外，还能一定程度改善快充性能。具体地，所述孔隙的平均孔径包括但不限于：5nm、10nm、15nm、20nm、25nm、30nm、35nm、40nm、45nm、50nm或前述任两者之间的范围。更进一步地，所述孔隙的平均孔径为5nm~40nm。更更进一步地，所述孔隙的平均孔径为5nm~25nm。不作限制地，所述孔隙的平均孔径可以通过氮气等温吸脱附方法进行测定。
进一步地，所述硅基材料层的平均厚度为2nm~20nm。如此一方面使硅基材料的含量较大，提升高能量密度，另一方面给硅基材料提供较多的膨胀空间，减少硅碳复合材料颗粒的破碎，提升循环性能，另外，还能一定程度改善快充性能。具体地，所述硅基材料层的平均厚度包括但不限于：2nm、3nm、4nm、5nm、6nm、7nm、8nm、9nm、10nm、11nm、12nm、13nm、14nm、15nm、16nm、17nm、18nm、19nm、20nm或前述任两者之间的范围。更进一步地，所述硅基材料层的平均厚度为2nm~18nm。更更进一步地，所述硅基材料层的平均厚度为2nm~10nm。不作限制地，可以通过间接法进行测定，具体地：沉积所述硅基材料层前的多孔碳基体的平均孔径（可采用氮气等温吸脱附方法测定）记为R1，沉积硅后，平均孔径记为R2，则所述硅基材料层的平均厚度为(R1-R2)/2。
在其中一些示例中，所述硅碳复合材料的粒径Dv50为3μm~30μm。如此一方面可减少循环过程中的副反应导致的循环性能恶化，另一方面减少离子的扩散距离，提升快充性能，另外还具有较好的循环寿命。具体地，所述硅碳复合材料的粒径Dv50包括但不限于：3μm、5μm、8μm、10μm、12μm、15μm、20μm、25μm、30μm。进一步地，所述硅碳复合材料的粒径Dv50为10μm~30μm。更进一步地，不作限制地，所述硅碳复合材料的粒径Dv50为10μm~20μm。所述硅碳复合材料的粒径Dv50可以通过激光粒度测试。
在其中一些示例中，所述多孔碳基体的表面还包覆有包覆层。
在其中一些示例中，所述包覆层包括碳包覆层。不作限制地，所述碳包覆层的材料包括无定型碳。
在其中一些示例中，所述包覆层的平均厚度为5nm~60nm。如此可以较好地隔绝循环过程中电解液对材料内部的侵蚀，同时还可以提升材料的导电性。不作限制地，所述碳包覆层的平均厚度可以通过透射电镜或溅射XPS测试。
在其中一些示例中，所述硅碳复合材料中，硅元素的质量百分比为20%~40%，碳元素的质量百分比为60%~80%。如此可以使材料兼具较高的克容量以及较低的膨胀性。不作限制地，所述硅元素和碳元素的含量可以通过ICP测试测试。
在其中一些示例中，所述硅碳复合材料的振实密度为0.7g/cm3~1.3g/cm3。
在其中一些示例中，所述硅碳复合材料的比表面积为0.8m2/g ~1.5m2/g。
本申请的另外一些示例提供一种硅碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：
于多孔碳基体的孔隙内沉积硅基材料层，所述硅基材料层包括亚纳米硅团簇以及碳化硅团簇，所述碳化硅团簇的表面与所述亚纳米硅团簇的表面相接触。
上述制备方法步骤简单，适用于工业化推广应用。
另外可以理解地，上述制备方法中涉及的硅碳复合材料同前述示例的硅碳复合材料，具有相同的特征和优点，在此不再赘述。
进一步地，将硅基材料亚纳米化可减少膨胀应力，进而减少材料颗粒的破碎，同时还可以减少离子扩散距离，改善固相扩散，提升快充性能；结合多孔碳基体给硅基材料膨胀预留空间，能够极大程度降低膨胀。因此，本申请进一步的目的在于制备得到亚纳米级别的硅基材料。
在其中一些示例中，于多孔碳基体的孔隙内沉积硅基材料层包括：
将多孔碳基体置于反应容器中，通入硅源气体与碳源气体的混合气体进行气相沉积。
进一步地，所述混合气体中，所述硅源气体与所述碳源气体的体积比为10:(1~5)。具体地，所述硅源气体与所述碳源气体的体积比包括但不限于：10:1、10:2、10:3、10:4、10:5或前述任两者之间的范围。
不作限制地，所述硅源气体包括SiH4。
不作限制地，所述碳源气体包括C2H4。
进一步地，所述混合气体的流速为0.05L/min~0.2L/min。具体地，所述混合气体的流速包括但不限于：0.05L/min、0.08L/min、0.1L/min、0.12L/min、0.15L/min、0.2L/min或前述任两者之间的范围。
进一步地，沉积温度为400℃~600℃。具体地，沉积温度包括但不限于：400℃、450℃、500℃、550℃、600℃或前述任两者之间的范围。
进一步地，沉积时间为30min~2h。具体地，沉积时间包括但不限于：30min、1h、1.5h、2h或前述任两者之间的范围。
通过采用气相沉积法进行硅基材料层的制备，并对制备过程中的气体比例、流速、温度、时间进行合理调控，能够使生成的碳化硅围绕在成核后的硅周围，限制其尺寸的生长，并最终形成包括亚纳米硅团簇以及碳化硅团簇的硅基材料层，且所述碳化硅团簇的表面与所述亚纳米硅团簇的表面相接触。
在其中一些示例中，沉积硅基材料层之后，还包括于所述多孔碳基体的表面制备包覆层的步骤。进一步地，于所述多孔碳基体的表面制备包覆层的方法包括气相沉积法。不作限制地，所述包覆层为碳包覆层，采用的碳源气体可为CH4和C2H2中的一种或两种，沉积的温度可为600℃~900℃，时间可根据预设厚度进行控制，举例可如15min~30min。
在其中一些示例中，所述多孔碳基体的制备方法包括模板法、酸碱活化法或热解法。
作为示例的，模板法可以SiO2纳米球为模板，浸于碳源溶液中，经离心、干燥、退火、酸刻蚀可得所述多孔碳基体。
作为示例的，酸碱活化法可以将氢氧化钾、磷酸等活化剂同碳源混合，通过物理和化学火花作用去除碳源内部的有机质及天然模板，得到所述多孔碳基体。其中氢氧化钾作为化学活化剂可生成碳酸钾、氧化钾甚至金属钾，再随后的热解和洗涤中被除去，而磷酸可在碳基体中有道产生含磷官能团，促进微孔形成。
作为示例的，热解法是指无需添加任何模板剂或活化剂，依靠热解产生的气体及材料本身的特性通过热解的手段得到所述多孔碳基体。
进一步地，所述多孔碳基体的制备方法包括酸碱活化法。
在其中一些示例中，所述多孔碳基体的制备方法包括：
将模板剂、碳源和溶剂混合，制备碳溶液；
将所述碳溶液进行第一次热处理，然后干燥，制备膨胀碳前体；
将所述膨胀碳前体进行第二次热处理，制备碳化中间体；
去除所述碳化中间体中的模板剂，制备所述多孔碳基体。
进一步地，所述模板剂与碳源的质量比为(1~10):1。具体地，所述模板剂与碳源的质量比包括但不限于：1:1、2:1、2.7:1、3:1、4:1、5:1、6:1、7:1、8:1、9:1、10:1或前述任两者之间的范围。
进一步地，第一次热处理的温度为70℃~90℃、时间为6h~10h。具体地，第一次热处理的温度包括但不限于：70℃、75℃、80℃、85℃、90℃或前述任两者之间的范围。第一次热处理的时间包括但不限于：6h、7h、8h、9h、10h或前述任两者之间的范围。
进一步地，干燥的温度为120℃~140℃，时间为1h~4h。
进一步地，第二次热处理包括：以3℃/min~10℃/min的升温速率升温至400℃~600℃，保持2h~6h。具体地，第二次热处理的升温速率包括但不限于：3℃/min、4℃/min、5℃/min、6℃/min、7℃/min、8℃/min、9℃/min、10℃/min或前述任两者之间的范围。第二次热处理的温度包括但不限于：400℃、450℃、500℃、550℃、600℃或前述任两者之间的范围。第二次热处理的时间包括但不限于：2h、3h、4h、5h、6h或前述任两者之间的范围。
另外，不作限制地，去除所述碳化中间体中的模板剂的方法可以包括酸处理。例如将所述碳化中间体与酸液混合并进行第三次热处理，然后洗涤、干燥。
本申请的另外一些示例提供一种负极极片，包括负极集流体以及设置在所述负极集流体至少一个表面上的负极活性材料层，所述负极活性材料层包括如上所述的硅碳复合材料和如上所述的制备方法制备得到的硅碳复合材料中的一种或多种。
本申请的另外一些示例提供一种二次电池，包括如上所述的负极极片。
本申请的另外一些示例提供一种用电装置，包括如上所述负极极片和如上所述的二次电池中的一种或多种。
另外，以下适当参照附图对本申请的二次电池和用电装置进行说明。
通常情况下，二次电池包括正极极片、负极极片、电解质和隔离膜。在电池充放电过程中，活性离子在正极极片和负极极片之间往返嵌入和脱出。电解质在正极极片和负极极片之间起到传导离子的作用。隔离膜设置在正极极片和负极极片之间，主要起到防止正负极短路的作用，同时可以使离子通过。
正极极片
可以理解地，电池在充放电过程中会伴随锂(Li)的脱嵌及消耗，电池在放电到不同状态时正极极片中Li的含量不同。本申请中关于正极材料的列举中，如无其他说明，Li的含量为材料初始状态。将正极材料应用于电池体系中的正极极片，经过充放电循环，极片所含正极材料中Li的含量通常会发生变化。其中，Li的含量可以采用摩尔含量进行计量，但不限于此。关于“Li的含量为材料初始状态”，材料初始状态指投料于正极浆料之前的状态。可以理解，在所列举正极材料基础上进行适当改性而获得的新材料也在正极材料范畴之内，前述适当改性指针对正极材料可接受的改性方式，非限制性示例如包覆改性。
本申请中关于正极材料的列举中，氧(O)的含量仅为理论状态值，晶格释氧会导致氧的摩尔含量发生变化，实际O的含量会出现浮动。其中，O的含量可以采用摩尔含量进行计量，但不限于此。
正极极片包括正极集流体以及设置在正极集流体至少一个表面的正极活性材料层。
作为非限制性示例，正极集流体具有在其自身厚度方向相对的两个表面，正极活性材料层设置在正极集流体相对的两个表面的其中任意一者或两者上。
在其中一些实施例中，正极集流体可采用金属箔片或复合集流体。例如，作为金属箔片，可采用铝箔。复合集流体可包括高分子材料基层和形成于高分子材料基层至少一个表面上的金属层。复合集流体可通过将金属材料形成在高分子材料基材上而获得。所述正极集流体中，该金属材料的非限制性示例可以包括铝、铝合金、镍、镍合金、钛、钛合金、银及银合金等中的一种或多种。所述正极集流体中，该高分子材料基材的非限制性示例可以包括聚丙烯（PP）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）、聚苯乙烯（PS）、聚乙烯（PE）等基材中的一种或多种。
在其中一些实施例中，正极活性材料可采用本领域公知的用于电池的正极活性材料。作为非限制性示例，正极活性材料可包括以下材料中的一种或多种：橄榄石结构的含锂磷酸盐、锂过渡金属氧化物及其各自的改性化合物。但本申请并不限定于这些材料，还可以使用其他可被用作电池正极活性材料的传统材料。这些正极活性材料可以仅单独使用一种，也可以将两种以上组合使用。其中，锂过渡金属氧化物的示例可包括但不限于锂钴氧化物（如LiCoO2）、锂镍氧化物、锂锰氧化物、锂镍钴氧化物、锂锰钴氧化物、锂镍锰氧化物、锂镍钴锰氧化物、锂镍钴铝氧化物及其改性化合物等中的一种或多种。橄榄石结构的含锂磷酸盐的非限制性示例可包括但不限于磷酸铁锂、磷酸铁锂与碳的复合材料、磷酸锰锂、磷酸锰锂与碳的复合材料、磷酸锰铁锂、磷酸锰铁锂与碳的复合材料中一种或多种。锂钴氧化物的非限制性示例可以包括LiCoO2；锂镍氧化物的非限制性示例可以包括LiNiO2；锂锰氧化物的非限制性示例可以包括LiMnO2、LiMn2O4等；锂镍钴锰氧化物的非限制性示例可以包括LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2（也可以简称为NCM333）、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2（也可以简称为NCM523）、LiNi0.5Co0.25Mn0.25O2（也可以简称为NCM211）、LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2（也可以简称为NCM622）、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2（也可以简称为NCM811）等。锂镍钴铝氧化物的非限制性示例可以包括LiNi0.85Co0.15Al0.05O2。
在其中一些实施例中，正极活性材料层还可选地包括粘结剂。作为非限制性示例，粘结剂可以包括聚偏氟乙烯（PVDF）、聚四氟乙烯（PTFE）、偏氟乙烯-四氟乙烯-丙烯三元共聚物、偏氟乙烯-六氟丙烯-四氟乙烯三元共聚物、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物及含氟丙烯酸酯树脂中的一种或多种。
在其中一些实施例中，正极活性材料层还可选地包括导电剂。作为非限制性示例，导电剂可以包括超导碳、乙炔黑、炭黑、科琴黑、碳点、碳纳米管、石墨烯及碳纳米纤维中的一种或多种。
在其中一些实施例中，可以通过以下方式制备正极极片：将上述用于制备正极极片的组分，例如正极活性材料、导电剂、粘结剂和任意其他的组分分散于溶剂中，形成正极浆料；将正极浆料涂覆在正极集流体的至少一侧表面上，经烘干、冷压等工序后，即可得到正极极片。溶剂的种类可以选自但不限于前述实施方式中的任一种，例如N-甲基吡咯烷酮（NMP）。正极浆料所涂覆的正极集流体表面可以为正极集流体的单个表面上，也可以为正极集流体的两个表面上。正极浆料所涂覆的正极集流体表面可以为正极集流体的单个表面上，也可以为正极集流体的两个表面上。正极浆料的固含量可以为40wt%~80wt%。正极浆料在室温下的粘度可以调整到5000~25000mPa·s。涂覆正极浆料时，以干重计（扣除溶剂）的涂布单位面密度可以为15~35 mg/cm2。正极极片的压实密度可以为3.0~3.6 g/cm3，可选为3.3~3.5 g/cm3。
负极极片
负极极片如上所述。
另外，作为非限制性示例，负极集流体具有在其自身厚度方向相对的两个表面，负极活性材料层设置在负极集流体相对的两个表面中的任意一者或两者上。
在其中一些实施例中，负极集流体可采用金属箔片或复合集流体。例如，作为金属箔片，可以采用铜箔。复合集流体可包括高分子材料基层和形成于高分子材料基材至少一个表面上的金属层。复合集流体可通过将金属材料形成在高分子材料基材上而获得。所述负极集流体中，该金属材料的非限制性示例可以包括铜、铜合金、镍、镍合金、钛、钛合金、银及银合金等中的一种或多种。所述负极集流体中，该高分子材料基材的非限制性示例可以包括聚丙烯（PP）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）、聚苯乙烯（PS）、聚乙烯（PE）等基材中的一种或多种。
在其中一些实施例中，所述负极活性材料层中可以单独采用上述硅碳复合材料，也可以将该硅碳复合材料与本领域公知的其它用于电池的负极活性材料进行任意比例的混用。作为非限制性示例，其它用于电池的负极活性材料可包括以下材料中的一种或多种：人造石墨、天然石墨、软炭、硬炭、硅基材料、锡基材料和钛酸锂等。硅基材料可以包括单质硅、硅氧化合物、硅碳复合物、硅氮复合物以及硅合金中的一种或多种。锡基材料可以包括单质锡、锡氧化合物以及锡合金中的一种或多种。但本申请并不限定于这些材料，还可以使用其他可被用作电池负极活性材料的传统材料。这些负极活性材料可以仅单独使用一种，也可以将两种以上组合使用。
在其中一些实施例中，所述碳基材料包括人造石墨、天然石墨、软炭和硬炭中的一种或多种。
在其中一些实施例中，负极活性材料层还可选地包括粘结剂。粘结剂可以包括丁苯橡胶（SBR）、聚丙烯酸（PAA）、聚丙烯酸钠（PAAS）、聚丙烯酰胺（PAM）、聚乙烯醇（PVA）、海藻酸钠（SA）、聚甲基丙烯酸（PMAA）及羧甲基壳聚糖（CMCS）中的一种或多种。
在其中一些实施例中，负极活性材料层还可选地包括导电剂。导电剂可以包括超导碳、乙炔黑、炭黑、科琴黑、碳点、碳纳米管、石墨烯及碳纳米纤维中的一种或多种。
在其中一些实施例中，负极活性材料层还可选地包括其他助剂，例如增稠剂（如羧甲基纤维素钠（CMC-Na））等。
在其中一些实施例中，可以通过以下方式制备负极极片：将上述用于制备负极极片的组分，例如负极活性材料、导电剂、粘结剂和任意其他组分分散于溶剂（溶剂的非限制性示例如去离子水）中，形成负极浆料；将负极浆料涂覆在负极集流体的至少一侧表面上，经烘干、冷压等工序后，即可得到负极极片。负极浆料所涂覆的负极集流体表面可以为负极集流体的单个表面上，也可以为负极集流体的两个表面上。负极浆料的固含量可以为40wt%~60wt%。负极浆料在室温下的粘度可以调整到2000~10000mPa·s。涂覆负极浆料时，以干重计（扣除溶剂）的涂布单位面密度可以为75~220 g/m2。负极极片的压实密度可以为1.0 g/cm3~ 1.8 g/cm3。
电解质
电解质具有在正极极片和负极极片之间传导离子的作用。本申请对电解质的种类没有特别的限制，可根据需求进行选择。例如，电解质可以是液态的、凝胶态的或全固态的。
在其中一些实施例中，电解质采用电解液。电解液包括电解质盐和溶剂。
在其中一些实施例中，电解质盐可以包括六氟磷酸锂（LiPF6）、四氟硼酸锂（LiBF4）、高氯酸锂（LiClO4）、六氟砷酸锂（LiAsF6）、双氟磺酰亚胺锂（LiFSI）、双三氟甲磺酰亚胺锂（LiTFSI）、三氟甲磺酸锂（LiTFS）、二氟磷酸锂（LiPO2F2）、二氟草酸硼酸锂（LiDFOB）、二草酸硼酸锂（LiBOB）、二氟二草酸磷酸锂（LiDFOP）及四氟草酸磷酸锂（LiTFOP）中的一种或多种。
在其中一些实施例中，溶剂可以包括碳酸乙烯酯（EC，）、碳酸丙烯酯（PC，）、碳酸甲乙酯（EMC）、碳酸二乙酯（DEC）、碳酸二甲酯（DMC）、碳酸二丙酯（DPC）、碳酸甲丙酯（MPC）、碳酸乙丙酯（EPC）、碳酸丁烯酯（）、氟代碳酸乙烯酯（FEC）、甲酸甲酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯、丁酸甲酯、丁酸乙酯、1,4-丁内酯、环丁砜、二甲砜、甲乙砜及二乙砜中的一种或多种。
在其中一些实施例中，电解液还可选地包括添加剂。例如添加剂可以包括负极成膜添加剂、正极成膜添加剂，还可以包括能够改善电池某些性能的添加剂，例如改善电池过充性能的添加剂、改善电池高温或低温性能的添加剂等。
在一些实施方式中，电解液中的添加剂可以包括但不限于氟代碳酸乙烯酯（FEC）、二氟碳酸乙烯酯（DFEC）、三氟甲基碳酸乙烯酯（TFPC）等中的一种或多种。
隔离膜
在其中一些实施例中，二次电池中还包括隔离膜。本申请对隔离膜的种类没有特别的限制，可以选用任意公知的具有良好的化学稳定性和机械稳定性的多孔结构隔离膜。
在其中一些实施例中，隔离膜的材质可以包括玻璃纤维、无纺布、聚乙烯、聚丙烯及聚偏二氟乙烯中的一种或多种。隔离膜可以是单层薄膜，也可以是多层复合薄膜，没有特别限制。在隔离膜为多层复合薄膜时，各层的材料可以相同或不同，没有特别限制。
在一些实施方式中，所述隔离膜的厚度为6~40μm，可选为12~20 μm。
在其中一些实施例中，正极极片、负极极片和隔离膜可通过卷绕工艺或叠片工艺制成电极组件。
在其中一些实施例中，二次电池可包括外包装。该外包装可用于封装上述电极组件及电解质。
在其中一些实施例中，二次电池的外包装可以是硬壳，例如硬塑料壳、铝壳、钢壳等。二次电池的外包装也可以是软包，例如袋式软包。软包的材质可以是塑料，进一步地，塑料的非限制性示例可以包括聚丙烯、聚对苯二甲酸丁二醇酯以及聚丁二酸丁二醇酯等中的一种或多种。
二次电池中包括至少一个电池单体。二次电池可以包括1个或多个电池单体。
在本申请中，如无其他说明，“电池单体”指能够实现化学能和电能相互转化的基本单元，进一步地，通常而言至少包括正极极片、负极极片和电解质。在电池充放电过程中，活性离子在正极极片和负极极片之间往返嵌入和脱出。电解质在正极极片和负极极片之间起到传导活性离子的作用。
本申请对电池单体的形状没有特别的限制，其可以是圆柱形、方形或其他任意的形状。例如，图1是作为一个示例的方形结构的电池单体5。
在其中一些实施例中，参照图2，外包装可包括壳体51和盖板53。其中，壳体51可包括底板和连接于底板上的侧板，底板和侧板围合形成容纳腔。壳体51具有与容纳腔连通的开口，盖板53能够盖设于开口，以封闭容纳腔。正极极片、负极极片和隔离膜可经卷绕工艺或叠片工艺形成电极组件52。电极组件52封装于容纳腔内。电解液浸润于电极组件52中。电池单体5所含电极组件52的数量可以为一个或多个，本领域技术人员可根据实际需求进行选择。
二次电池可以为电池模块4或电池包1。
电池模块包括至少一个电池单体。电池模块所含电池单体的数量可以为一个或多个，本领域技术人员可根据电池模块的应用和容量选择合适的数量。
图3是作为一个示例的电池模块4。参照图3，在电池模块4中，多个电池单体5可以是沿电池模块4的长度方向依次排列设置。当然，也可以按照其他任意的方式进行排布。进一步可以通过紧固件将该多个电池单体5进行固定。
可选地，电池模块4还可以包括具有容纳空间的外壳，多个电池单体5容纳于该容纳空间。
在其中一些实施例中，上述电池模块还可以组装成电池包，电池包所含电池模块的数量可以为一个或多个，本领域技术人员可根据电池包的应用和容量选择合适的数量。
图4和图5是作为一个示例的电池包1。参照图4和图5，在电池包1中可以包括电池箱和设置于电池箱中的多个电池模块4。电池箱包括上箱体2和下箱体3，上箱体2能够盖设于下箱体3，并形成用于容纳电池模块4的封闭空间。多个电池模块4可以按照任意的方式排布于电池箱中。
另外，本申请还提供一种用电装置，用电装置包括本申请提供的二次电池。二次电池可以用作用电装置的电源，也可以用作用电装置的能量存储单元。用电装置可以包括移动设备、电动车辆、电气列车、船舶及卫星、储能系统等，但不限于此。其中，移动设备例如可以是手机、笔记本电脑等；电动车辆例如可以是纯电动车、混合动力电动车、插电式混合动力电动车、电动自行车、电动踏板车、电动高尔夫球车、电动卡车等，但不限于此。
作为用电装置，可以根据其使用需求来选择二次电池。
图6是作为一个示例的用电装置6。该用电装置为纯电动车、混合动力电动车、或插电式混合动力电动车等。为了满足该用电装置对二次电池的高功率和高能量密度的需求，可以采用电池包或电池模块。
作为另一个示例的装置可以是手机、平板电脑、笔记本电脑等。该装置通常要求轻薄化，可以采用二次电池作为电源。
实施例
以下，说明本申请的实施例。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。实施例中未注明技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
实施例1
1）正极极片的制备
将正极活性材料NCM811、导电炭黑SP及粘结剂PVDF按照重量比98:1:1分散至溶剂NMP中进行混合均匀，得到正极浆料；将正极浆料均匀涂布于正极集流体铝箔的双侧表面上，经烘干、冷压后，得到正极极片，其中双侧的单位面积的涂覆量为0.27g/1540.25mm2。
2）负极极片的制备
2.1、负极活性材料的制备
多孔碳基体的制备：取11g一水合葡萄糖和30g氯化锌置于200mL的烧杯中，加30mL去离子水，玻璃棒搅拌以形成澄清透明溶液。将该溶液转移到恒温加热磁力搅拌器上，升温到80℃，以搅拌桨缓慢机械搅拌8h，蒸发大部分水分，剩余物形成均一的棕黑色粘稠液体。预先将鼓风干燥箱升温至130℃，趁热立即将棕黑色粘稠液体放入其中，保持2h，得到疏松多孔的膨胀碳前体。待碳前体冷却至室温，用磁舟装好送入管式电阻炉，控制升温速率为6℃/min，升温到500℃并保持4h，整个碳化过程都通入N2保护。
配制250mL的1mol/L稀盐酸，用玛瑙研钵把冷却至室温的碳化后产物研磨成粉，取50mL的1mol/L稀盐酸和所有粉末在锥形瓶里混合，架在恒温加热磁力搅拌器上加热至沸腾并保持20min，重复4次，以洗去碳材料里的模板剂。过滤掉洗涤液以后，用大量去离子水将碳材料洗至中性并放入鼓风干燥箱110℃干燥20h，制备得到多孔碳基体。该多孔碳基体的电镜图如图7所示，可见，制备得到的碳基体呈多孔结构。
硅基材料层的制备：将上述多孔碳基体置于管式炉中，在500℃温度条件下以0.1L/min的通气速度通入SiH4和C2H4的混合气体(体积比为介于10:3之间)，持续1h，于多孔碳基体的孔隙中沉积硅基材料层。硅基材料层的电镜图如图8所示，可见，该硅基材料层中包括亚纳米硅团簇以及碳化硅团簇，且二者表面相接触，或碳化硅团簇位于亚纳米硅团簇的周围，亚纳米硅团簇的径向尺寸约为0.2nm~1nm，亚纳米碳化硅团簇的径向尺寸约为0.2nm~1nm。
碳包覆层的制备：然后将通入的气体替换为CH4，温度设定为700℃，持续25min，于多孔碳基体的表面形成无定型碳包覆层，然后冷却至室温，得硅碳复合材料，无定型碳包覆层的厚度为30nm。硅碳复合材料的电镜图如图9所示。
2.2、将步骤2.1制备的硅碳复合材料作为负极活性材料，与增稠剂羧甲基纤维素钠、粘接剂丁苯橡胶、导电剂乙炔黑按照质量比97:1:1:1进行混合，加入去离子水，在真空搅拌机作用下获得负极浆料；将负极浆料均匀涂覆在铜箔的双侧表面上；将铜箔在室温晾干后转移至120℃烘箱干燥1h，然后过冷压、分切得到负极片，其中双侧的单位面积的涂覆量为0.17g/1540.25mm2。
3）隔离膜
选用12μm厚的聚丙烯隔离膜。
4）电解液的制备
有机溶剂为含有碳酸亚乙酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二乙酯(DEC)的混液，其中，EC、EMC和DEC的体积比为20:20:60。在含水量<10ppm的氩气气氛手套箱中，将充分干燥的锂盐LiPF6溶解于有机溶剂中，混合均匀，获得电解液。其中，锂盐的浓度为1mol/L。
5）电池的制备
将正极片、隔离膜、负极片按顺序叠好，使隔离膜处于正、负极片之间起到隔离的作用，再卷绕成方形的裸电芯后，装入铝塑膜，然后在80℃下烘烤除水后，注入10g相应的非水电解液、封口，经静置、热冷压、化成、夹具、分容等工序后，得到容量为4000mAh的成品电池。
实施例2~18的二次电池与实施例1的二次电池制备方法相似，主要区别在于采用的多孔碳基体的比表面积、硅基材料层的总体积占多孔碳基体孔隙的总体积、多孔碳基体孔隙的平均孔径、硅基材料层的厚度不同。
对比例1的二次电池与实施例1的二次电池制备方法相似，主要区别在于硅基材料层的制备过程中未通入C2H4，即硅基材料层为Si层。
表1
测试例
测试方法：
（1）阳极满充反弹：
测量负极极片的原始厚度，记为W0。然后对组装后的电池满充后进行拆解，测量满充后的负极极片的厚度，记为W1。
阳极满充反弹α=（W1-W0）/W0。
（2）快充性能：
在25℃下，取预埋铜丝的电池以0.33C恒流充电至4.25V，继续恒压充电至电流为0.05C，此时电池为满充状态，记录此时的充电容量，即为第1圈充电容量；将电池静置30min后，以0.33C恒流放电至2.5V，此为一个循环充放电过程，记录此时的放电容量，即为第1圈放电容量。然后开始镀锂，将充电设备连接铜丝与正极，恒流20uA充电，持续2h，然后充电设备连接铜丝与负极，恒流20uA充电，持续2h，镀完锂的铜丝即为参比电极，参比电极电位默认为0mV。镀锂后，将电池以2C恒流充电，记录负极与参比电极间的电位差，当电位差到达0mV时，记录充进的容量与所述第1圈充电容量的比值，该比值代表二次电池的快充性能。
（3）循环寿命：
在25℃下，取上述制备的电池以0.5C恒流充电至4.25V，继续恒压充电至电流为0.05C，此时电池为满充状态，记录此时的充电容量，即为第1圈充电容量；将电池静置30min后，以1C恒流放电至2.5V，此为一个循环充放电过程，记录此时的放电容量，即为第1圈放电容量。将电池按照上述方法进行循环充放电测试，记录每圈循环后的放电容量，直至电池的放电容量衰减为第1圈放电容量的80%，用此时的循环圈数表征二次电池的循环寿命。
（4）能量密度：
将电池在25℃的恒温环境下静置2h，然后在2.5V～4.25V下，按照0.33C充电至4.25V，然后在4.25V下恒压充电至电流≤0.05C，静置10min，然后按照0.33C放电至2.5V，记录该电池的容量C0。VED为C0与电池壳体体积的比值即为二次电池的体积能量密度（VED）
测试结果如下表2所示：
表2
可知，本申请通过在硅基材料层中设置亚纳米硅团簇以及亚纳米碳化硅团簇，能够使制备得到的材料膨胀性更小，循环性能和快充性能更好，且还能够具有更高的能量密度。
上文对各个实施例的描述倾向于强调各个实施例之间的不同之处，其相同或相似之处可以相互参考，为了简洁，本文不再赘述。
需要说明的是，本申请不限定于上述实施方式。上述实施方式仅为示例，在本申请的技术方案范围内具有与技术思想实质相同的构成、发挥相同作用效果的实施方式均包含在本申请的技术范围内。此外，在不脱离本申请主旨的范围内，对实施方式施加本领域技术人员能够想到的各种变形、将实施方式中的一部分构成要素加以组合而构筑的其它方式也包含在本申请的范围内。

Claims (26)

1.一种硅碳复合材料，其特征在于，包括多孔碳基体以及位于所述多孔碳基体的孔隙内的硅基材料层，所述硅基材料层包括亚纳米硅团簇以及亚纳米碳化硅团簇，所述亚纳米碳化硅团簇的表面与所述亚纳米硅团簇的表面相接触。
2.根据权利要求1所述的硅碳复合材料，其特征在于，所述亚纳米硅团簇的径向尺寸为0.2nm~1nm；和/或，所述亚纳米碳化硅团簇的径向尺寸为0.2nm~1nm。
3.根据权利要求1所述的硅碳复合材料，其特征在于，所述多孔碳基体的比表面积≥800m2/g。
4.根据权利要求3所述的硅碳复合材料，其特征在于，所述多孔碳基体的比表面积为800m2/g~2000m2/g。
5.根据权利要求4所述的硅碳复合材料，其特征在于，所述多孔碳基体的比表面积为800m2/g~1200m2/g。
6.根据权利要求1所述的硅碳复合材料，其特征在于，所述硅基材料层的总体积＜所述孔隙的总体积。
7.根据权利要求6所述的硅碳复合材料，其特征在于，所述硅基材料层的总体积占所述孔隙的总体积的10%~60%。
8.根据权利要求7所述的硅碳复合材料，其特征在于，所述硅基材料层的总体积占所述孔隙的总体积的10%~30%。
9.根据权利要求1所述的硅碳复合材料，其特征在于，所述硅基材料层的厚度＜所述孔隙的孔径。
10.根据权利要求9所述的硅碳复合材料，其特征在于，所述孔隙的平均孔径为5nm~50nm。
11.根据权利要求9所述的硅碳复合材料，其特征在于，所述硅基材料层的平均厚度为2nm~20nm。
12.根据权利要求1所述的硅碳复合材料，其特征在于，所述硅碳复合材料的粒径Dv50为3μm~30μm。
13.根据权利要求12所述的硅碳复合材料，其特征在于，所述硅碳复合材料的粒径Dv50为10μm~20μm。
14.根据权利要求1所述的硅碳复合材料，其特征在于，所述多孔碳基体的表面还包覆有包覆层；所述包覆层包括碳包覆层。
15.根据权利要求1~14任一项所述的硅碳复合材料，其特征在于，所述硅碳复合材料中，硅元素的质量百分比为20%~40%，碳元素的质量百分比为60%~80%。
16.根据权利要求1~14任一项所述的硅碳复合材料，其特征在于，所述硅碳复合材料包括如下特征中的一项或两项：
（1）振实密度为0.7g/cm3~1.3g/cm3；
（2）比表面积为0.8m2/g ~1.5m2/g。
17.一种硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
于多孔碳基体的孔隙内沉积硅基材料层，所述硅基材料层包括亚纳米硅团簇以及碳化硅团簇，所述碳化硅团簇的表面与所述亚纳米硅团簇的表面相接触。
18.根据权利要求17所述的硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，于多孔碳基体的孔隙内沉积硅基材料层包括：
将多孔碳基体置于反应容器中，通入硅源气体与碳源气体的混合气体进行气相沉积。
19.根据权利要求18所述的硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述通入硅源气体与碳源气体的混合气体进行气相沉积包括如下特征中的一项或多项：
（1）所述混合气体中，所述硅源气体与所述碳源气体的体积为10:(1~5)；
（2）所述硅源气体包括SiH4；
（3）所述碳源气体包括C2H4；
（4）所述混合气体的流速为0.05L/min~0.2L/min；
（5）沉积温度为400℃~600℃；
（6）沉积时间为30min~2h。
20.根据权利要求17~19任一项所述的硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，沉积硅基材料层之后，还包括于所述多孔碳基体的表面制备包覆层的步骤。
21.根据权利要求17~19任一项所述的硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述多孔碳基体的制备方法包括模板法、酸碱活化法或热解法。
22.根据权利要求17~19任一项所述的硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述多孔碳基体的制备方法包括：
将模板剂、碳源和溶剂混合，制备碳溶液；
将所述碳溶液进行第一次热处理，然后干燥，制备膨胀碳前体；
将所述膨胀碳前体进行第二次热处理，制备碳化中间体；
去除所述碳化中间体中的模板剂，制备所述多孔碳基体。
23.根据权利要求22所述的硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述多孔碳基体的制备方法具有如下所示特征中的一项或多项：
（1）所述模板剂与碳源的质量比为(1~10):1；
（2）第一次热处理的温度为70℃~90℃，时间为6h~10h；
（3）干燥的温度为120℃~140℃，时间为1h~4h；
（4）第二次热处理包括：以3℃/min~10℃/min的升温速率升温至400℃~600℃，保持2h~6h。
24.一种负极极片，其特征在于，包括负极集流体以及设置在所述负极集流体至少一个表面上的负极活性材料层，所述负极活性材料层包括权利要求1~16任一项所述的硅碳复合材料和权利要求17~23任一项所述的制备方法制备得到的硅碳复合材料中的一种或多种。
25.一种二次电池，其特征在于，包括权利要求24所述的负极极片。
26.一种用电装置，其特征在于，包括权利要求24所述负极极片和权利要求25所述的二次电池中的一种或多种。
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