本发明属于锂离子电池材料技术领域，具体涉及一种硅基负极材料的制备方法及该硅基负极材料。
背景技术：
随着现代社会的发展，移动设备得到越来越广泛的应用，从而对高能电池的要求越来越高，因此一些高能量密度负极材料的研究也越来越引起重视。目前工业使用的石墨的容量已经接近372mAh/g的理论，显然已不能适应发展的需求。
硅基材料因具有较高的理论容量而受瞩目，但是其在嵌脱锂的过程中要经历严重的体积膨胀和收缩，体积膨胀率>300%，造成电极循环稳定性大幅下降。为抑制其体积膨胀改善循环性能，目前研究比较多的是，用不定型碳包覆硅来抑制充放电过程中的体积效应，但是如何将碳均匀包覆在硅表面却是个难点，而包覆的是否均匀将直接影响材料的比容量及循环性能。因此，开发一种碳均匀包覆硅基负极材料是制备高容量硅碳负极材料领域要解决的难题之一。
技术实现要素：
为了解决上述存在的技术问题，本发明设计了一种硅基负极材料的制备方法及该硅基负极材料。
为了解决上述存在的技术问题，本发明采用了以下方案：
一种硅基负极材料的制备方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤1、硅表面羟基化：将硅粉放入氨水、双氧水和水的混合溶液中加热煮沸并搅拌10～60min，然后水洗、过滤、80～120℃真空干燥2～12h；
步骤2、硅表面修饰乙烯基：将步骤1中的干燥产物放入含乙烯基硅烷偶联剂的无水乙醇溶液中，在30～80℃加热搅拌10～60min，然后缓慢加入水继续搅拌1h～12h，最后用无水乙醇清洗、过滤、60～80℃真空干燥2～12h；
步骤3、硅表面修饰聚苯乙烯：取步骤2中修饰乙烯基的干燥产物、苯乙烯和水混合均匀并搅拌，在此过程中缓慢加入引发剂BPO的(过氧化二苯甲酰)水溶液，加热至85～90℃搅拌1～2h，最后用水清洗过滤；
步骤4、包覆沥青：将步骤3中得到的修饰聚苯乙烯的硅粉和沥青放入甲苯溶剂中搅拌直至沥青溶解，加热到75～100℃并搅拌直到蒸干得到固体；
步骤5、煅烧：将步骤4中得到的固体在惰性气氛保护下煅烧，最后，自然冷却到室温得到碳包覆的硅基负极材料。
进一步，步骤1中的混合溶液是由浓度为25%质量分数的氨水、浓度为30%质量分数的双氧水和水按体积比1:1:5混合而成。
进一步，步骤1中硅粉与浓度为25%质量分数的氨水的质量比为5:9。
进一步，步骤2中硅烷偶联剂与干燥产物的质量比为0.1～2：100；干燥产物与无水乙醇溶液的质量比为1:10。
进一步，步骤2中缓慢加入的水与无水乙醇溶液的质量比为1～20:100。
进一步，步骤3中苯乙烯与修饰乙烯基的干燥产物的质量比为5～20:100；修饰乙烯基的干燥产物与苯乙烯质量之和占修饰乙烯基的干燥产物、苯乙烯和水的混合物总质量的10%。
进一步，步骤3中BPO(过氧化二苯甲酰)与苯乙烯质量比为2：100。
进一步，步骤4中修饰聚苯乙烯的硅粉与沥青质量比为5～20：100)；沥青和甲苯溶剂的质量比为1:5。
进一步，步骤5中煅烧的升温制度为两段式升温：
第一段：以5℃/min的升温速率，从室温升温到450℃并保温4h；
第二段：以5℃/min的升温速率，从450℃升温到900℃并保温2h。
进一步，乙烯基硅烷偶联剂为乙烯基三乙酰氧基硅烷、乙烯基三（2-甲氧乙氧基）硅烷、乙烯基三异丙氧基硅烷 、乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷中的一种。
进一步，硅粉粒径为50～500nm。
由上述任一所述的硅基负极材料的制备方法制得的硅基负极材料。
该硅基负极材料的制备方法及该硅基负极材料具有以下有益效果：
（1）本发明通过表面修饰聚苯乙烯后的硅粉与沥青包覆时，能得到碳包覆均匀的硅碳负极材料，从而保证煅烧后材料的均匀性及材料循环稳定性。
（2）本发明所制备的材料均匀且有较好的循环稳定性。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明做进一步说明：
实施例1
本实施例提供一种硅基负极材料的制备方法，制备方法如下：
步骤1. 表面羟基化
取4.0g（粒径50nm）的硅粉放入氨水、双氧水和水的混合溶液中加热煮沸并搅拌10min，然后水洗、过滤、80℃真空干燥8h；混合溶液中氨水（25%质量分数）、双氧水（30%质量分数）和水的体积分别为8ml、8ml和40ml；
步骤2. 硅表面修饰乙烯基
取步骤1中的干燥产物3.0g放入含0.06g乙烯基硅烷偶联剂的30g无水乙醇溶液中，在30℃加热搅拌60min，然后缓慢加入6g水，继续搅拌1h，最后用无水乙醇清洗、过滤、60℃真空干燥12h；
步骤3. 硅表面修饰聚苯乙烯
取步骤2中修饰乙烯基的干燥产物2.0g、苯乙烯0.4g和21.6g水混合均匀并搅拌，在此过程中缓慢加入含0.008g引发剂BPO(过氧化二苯甲酰)水溶液，加热至90℃搅拌1h，最后用水清洗过滤干燥；
步骤4. 包覆沥青
取步骤3修饰聚苯乙烯的硅粉2.0g和10.0g沥青溶入50g甲苯溶剂中搅拌直至沥青溶解，加热至75℃搅拌蒸干得到固体；
步骤 5. 煅烧
将步骤4中得到的固体煅烧，煅烧制度为：
煅烧气氛：惰性气氛保护下；
升温制度：两段式升温：
第一段：以5℃/min的升温速率，从室温升温到450℃并保温4h；
第二段：以5℃/min的升温速率，从450℃升温到900℃并保温2h；
最后，自然冷却到室温得到碳包覆的硅基负极材料。
所得硅基负极材料电化学测试方法见下：
采用扣式电池来研究负极材料的电化学性能，负极采用去离子水作为溶剂，极片的配方按：活性物质：SP ：CMC：SBR=85：5：5：5混合物调制成固含量为45%的浆料，然后将浆料均匀涂覆于铜箔上，放入烘箱中，80℃烘干2h，取出切成极片，80℃真空干燥24h，进行压片，80℃真空干燥12h，制得实验电池用极片。以金属锂片作为对电极，电解液为1.0mol/L LiPF6的EC（乙基碳酸酯）和DMC（二甲基碳酸酯）（体积比1 : 1）的溶液，隔膜为celgard2400膜，在充满氩气气氛的手套箱内装配成CR2025型扣式电池。
对该扣式电池进行充放电循环测试：充放电截至电压为0.01-2.0V，充放电电流均为0.1C的条件下（其中1C=800mA/g，根据理论设计容量设置测试程序，再由首次充放电测试结果得到材料1C的值），具体数据见表1，表1为本发明实施例1～5和对比例所制备的锂离子电池负极材料的电化学数据。
实施例2
本实施例提供一种硅基负极材料的制备方法，制备方法如下：
步骤1. 表面羟基化
取4.0g（粒径500nm）的硅粉放入氨水、双氧水和水的混合溶液中加热煮沸并搅拌60min，然后水洗、过滤、120℃真空干燥8h；混合溶液中氨水（25%质量分数）、双氧水（30%质量分数）和水的体积分别为8ml、8ml和40ml；
步骤2. 硅表面修饰乙烯基
取步骤1中的干燥产物3.0g放入含0.003g乙烯基硅烷偶联剂的30g无水乙醇溶液中，在80℃加热搅拌10min，然后缓慢加入0.3g水，继续搅拌12h，最后用无水乙醇清洗、过滤、80℃真空干燥2h；
步骤3. 硅表面修饰聚苯乙烯：
取步骤2中修饰乙烯基的干燥产物2.0g、苯乙烯0.1g和18.9g水混合均匀并搅拌，在此过程中缓慢加入含0.002g引发剂BPO(过氧化二苯甲酰)水溶液，加热至85℃搅拌2h，最后用水清洗过滤干燥；
步骤4. 包覆沥青
取步骤3中修饰聚苯乙烯的硅粉2.0g和40.0g沥青溶入200g甲苯溶剂中搅拌直至沥青溶解，加热至100℃搅拌蒸干得到固体；
步骤 5. 煅烧
将步骤4中得到的固体煅烧，煅烧制度为：
煅烧气氛：惰性气氛保护下；
升温制度：两段式升温：
第一段：以5℃/min的升温速率，从室温升温到450℃并保温4h；
第二段：以5℃/min的升温速率，从450℃升温到900℃并保温2h；
最后，自然冷却到室温得到碳包覆的硅基负极材料。
所得硅基负极材料电化学测试方法见下：
采用扣式电池来研究负极材料的电化学性能，负极采用去离子水作为溶剂，极片的配方按活性物质：SP ：CMC：SBR=85：5：5：5混合物调制成固含量为45%的浆料，然后将浆料均匀涂覆于铜箔上，放入烘箱中，80℃烘干2h，取出切成极片，80℃真空干燥24h，进行压片，80℃真空干燥12h，制得实验电池用极片。以金属锂片作为对电极，电解液为1.0mol/L LiPF6的EC（乙基碳酸酯）和DMC（二甲基碳酸酯）（体积比1 : 1）的溶液，隔膜为celgard2400膜，在充满氩气气氛的手套箱内装配成CR2025型扣式电池。
对该扣式电池进行充放电循环测试：充放电截至电压为0.01-2.0V，充放电电流均为0.1C的条件下（其中1C=800mA/g，根据理论设计容量设置测试程序，再由首次充放电测试结果得到材料1C的值），具体数据见表1。
实施例3
本实施例提供一种硅基负极材料的制备方法，制备方法如下：
步骤1. 表面羟基化
取4.0g（粒径200nm）的硅粉放入氨水、双氧水和水的混合溶液中加热煮沸并搅拌30min，然后水洗、过滤、100℃真空干燥8h；混合溶液中氨水（25%质量分数）、双氧水（30%质量分数）和水的体积分别为8ml、8ml和40ml；
步骤2. 硅表面修饰乙烯基
取步骤1中的干燥产物3.0g放入含0.03g乙烯基硅烷偶联剂的30g无水乙醇溶液中，在6℃加热搅拌30min，然后缓慢加入3g水，继续搅拌6h，最后用无水乙醇清洗、过滤、70℃真空干燥6h；
步骤3. 硅表面修饰聚苯乙烯：
取步骤2中修饰乙烯基的干燥产物2.0g、苯乙烯0.2g和19.8g水混合均匀并搅拌，在此过程中缓慢加入含0.004g引发剂BPO(过氧化二苯甲酰)水溶液，加热至90℃搅拌1.5h，最后用水清洗过滤干燥；
步骤4. 包覆沥青
取步骤3中修饰聚苯乙烯的硅粉2.0g和20.0g沥青溶入100g甲苯溶剂中搅拌直至沥青溶解，加热至90℃搅拌蒸干得到固体；
步骤 5. 煅烧
将步骤4中得到的固体煅烧，煅烧制度为：
煅烧气氛：惰性气氛保护下；
升温制度：两段式升温：
第一段：以5℃/min的升温速率，从室温升温到450℃并保温4h
第二段：以5℃/min的升温速率，从450℃升温到900℃并保温2h
最后，自然冷却到室温得到碳包覆的硅基负极材料。
所得硅基负极材料电化学测试方法见下：
采用扣式电池来研究负极材料的电化学性能，负极采用去离子水作为溶剂，极片的配方按活性物质：SP ：CMC：SBR=85：5：5：5混合物调制成固含量为45%的浆料，然后将浆料均匀涂覆于铜箔上，放入烘箱中，80℃烘干2h，取出切成极片，80℃真空干燥24h，进行压片，80℃真空干燥12h，制得实验电池用极片。以金属锂片作为对电极，电解液为1.0mol/L LiPF6的EC（乙基碳酸酯）和DMC（二甲基碳酸酯）（体积比1 : 1）的溶液，隔膜为celgard2400膜，在充满氩气气氛的手套箱内装配成CR2025型扣式电池。
对该扣式电池进行充放电循环测试：充放电截至电压为0.01-2.0V，充放电电流均为0.1C的条件下（其中1C=800mA/g，根据理论设计容量设置测试程序，再由首次充放电测试结果得到材料1C的值），具体数据见表1。
实施例4
本实施例提供一种硅基负极材料的制备方法，制备方法如下：
步骤1. 表面羟基化
取4.0g（粒径150nm）硅粉放入氨水、双氧水和水的混合溶液中加热煮沸并搅拌20min，然后水洗、过滤、110℃真空干燥10h；混合溶液中氨水（25%质量分数）、双氧水（30%质量分数）和水的体积分别为8ml、8ml和40ml；
步骤2. 硅表面修饰乙烯基
取步骤1中的干燥产物3.0g放入含0.0045g乙烯基硅烷偶联剂的30g无水乙醇溶液中，在80℃加热搅拌60min，然后缓慢加入4.5g水，继续搅拌10h，最后用无水乙醇清洗、过滤、70℃真空干燥8h；
步骤3. 硅表面修饰聚苯乙烯
取步骤2中修饰乙烯基的干燥产物2.0g、苯乙烯0.3g和20.7g水混合均匀并搅拌，在此过程中缓慢加入含0.006g引发剂BPO(过氧化二苯甲酰)水溶液，加热至85℃搅拌1h，最后用水清洗过滤干燥；
步骤4. 包覆沥青
取步骤3中修饰聚苯乙烯的硅粉2.0g和30.0g沥青溶入150g甲苯溶剂中搅拌直至沥青溶解，加热至100℃搅拌蒸干得到固体；
步骤 5. 煅烧
将步骤4中得到的固体煅烧，煅烧制度为：
煅烧气氛：惰性气氛保护下；
升温制度：两段式升温：
第一段：以5℃/min的升温速率，从室温升温到450℃并保温4h；
第二段：以5℃/min的升温速率，从450℃升温到900℃并保温2h；
最后，自然冷却到室温得到碳包覆的硅基负极材料。
所得硅基负极材料电化学测试方法见下：
采用扣式电池来研究负极负极材料的电化学性能，负极采用去离子水作为溶剂，极片的配方按活性物质：SP ：CMC：SBR=85：5：5：5混合物调制成固含量为45%的浆料，然后将浆料均匀涂覆于铜箔上，放入烘箱中，80℃烘干2h，取出切成极片，80℃真空干燥24h，进行压片，80℃真空干燥12h，制得实验电池用极片。以金属锂片作为对电极，电解液为1.0mol/L LiPF6的EC（乙基碳酸酯）和DMC（二甲基碳酸酯）（体积比1 : 1）溶液，隔膜为celgard2400膜，在充满氩气气氛的手套箱内装配成CR2025型扣式电池。
对该扣式电池进行充放电循环测试：充放电截至电压为0.01-2.0V，充放电电流均为0.1C的条件下（其中1C=800mA/g，根据理论设计容量设置测试程序，再由首次充放电测试结果得到材料1C的值），具体数据见表1。
实施例5
本实施例提供一种硅基负极材料的制备方法，制备方法如下：
步骤1. 表面羟基化
取4.0g（粒径300nm）硅粉放入氨水、双氧水和水的混合溶液中加热煮沸搅拌50min，然后水洗、过滤、100℃真空干燥8h；混合溶液中氨水（25%质量分数）、双氧水（30%质量分数）和水的体积分别为8ml、8ml和40ml；
步骤2. 硅表面修饰乙烯基
取步骤1中的干燥产物3.0g放入含0.05乙烯基硅烷偶联剂的30g无水乙醇溶液中，在80℃加热搅拌60min，然后缓慢加入5g水，继续搅拌6h，最后用无水乙醇清洗、过滤、80℃真空干燥4h；
步骤3. 硅表面修饰聚苯乙烯
取步骤2中修饰乙烯基的干燥产物2.0g、苯乙烯0.4g和21.6g水混合均匀并搅拌，在此过程中缓慢加入含0.008g引发剂BPO(过氧化二苯甲酰)水溶液，加热至90℃搅拌2h，最后用水清洗过滤干燥；
步骤4. 包覆沥青
取步骤3中修饰聚苯乙烯的硅粉2.0g和25.0g沥青溶入125g甲苯溶剂中搅拌直至沥青溶解，加热至100℃搅拌蒸干得到固体；
步骤 5. 煅烧
将步骤4中得到的固体煅烧，煅烧制度为：
煅烧气氛：惰性气氛保护下；
升温制度：两段式升温：
第一段：以5℃/min的升温速率，从室温升温到450℃并保温4h；
第二段：以5℃/min的升温速率，从450℃升温到900℃并保温2h；
最后，自然冷却到室温得到碳包覆的硅基负极材料。
所得硅基负极材料电化学测试方法见下：
采用扣式电池来研究负极负极材料的电化学性能，负极采用去离子水作为溶剂，极片的配方按活性物质：SP ：CMC：SBR=85：5：5：5混合物调制成固含量为45%的浆料，然后将浆料均匀涂覆于铜箔上，放入烘箱中，80℃烘干2h，取出切成极片，80℃真空干燥24h，进行压片，80℃真空干燥12h，制得实验电池用极片。以金属锂片作为对电极，电解液为1.0mol/L LiPF6的EC（乙基碳酸酯）和DMC（二甲基碳酸酯）（体积比1 : 1）溶液，隔膜为celgard2400膜，在充满氩气气氛的手套箱内装配成CR2025型扣式电池。
对该扣式电池进行充放电循环测试：充放电截至电压为0.01-2.0V，充放电电流均为0.1C的条件下（其中1C=800mA/g，根据理论设计容量设置测试程序，再由首次充放电测试结果得到材料1C的值），具体数据见表1。
对比例
对比例与实施例3对比，以此说明材料均匀性和循环稳定性，制备方法如下：
步骤1. 包覆沥青
取修饰聚苯乙烯的硅粉（粒径200nm）2.0g和20.0g沥青溶入100g甲苯溶剂中搅拌直至沥青溶解，加热至90℃搅拌蒸干得到固体；
步骤 2. 煅烧
将步骤1中得到的固体煅烧，煅烧制度为：
煅烧气氛：惰性气氛保护下；
升温制度：两段式升温：
第一段：以5℃/min的升温速率，从室温升温到450℃并保温4h；
第二段：以5℃/min的升温速率，从450℃升温到900℃并保温2h；
最后，自然冷却到室温得到碳包覆的硅基负极材料。
所得硅基负极材料电化学测试方法见下：
采用扣式电池来研究负极负极材料的电化学性能，负极采用去离子水作为溶剂，极片的配方按活性物质：SP ：CMC：SBR=85：5：5：5混合物调制成固含量为45%的浆料，然后将浆料均匀涂覆于铜箔上，放入烘箱中，80℃烘干2h，取出切成极片，80℃真空干燥24h，进行压片，80℃真空干燥12h，制得实验电池用极片。以金属锂片作为对电极，电解液为1.0mol/L LiPF6的EC（乙基碳酸酯）和DMC（二甲基碳酸酯）（体积比1 : 1）溶液，隔膜为celgard2400膜，在充满氩气气氛的手套箱内装配成CR2025型扣式电池。
对该扣式电池进行充放电循环测试：充放电截至电压为0.01-2.0V，充放电电流均为0.1C的条件下（其中1C=800mA/g，根据理论设计容量设置测试程序，再由首次充放电测试结果得到材料1C的值），具体数据见表1。 从表1 可以看出，对比例和实施例3相比较，实施例3材料性能更稳定，说明采用该方法制备材料更均匀，材料循环性能更稳定。
表1
备注：实施例3和对比例的三组数据均为材料煅烧后，取材料不同部分制备扣式电池测试数据。
本发明先将硅粉放入含氨水和双氧水的溶液中加热煮沸搅拌，使硅颗粒表面覆盖一层带有亲水性的羟基，水洗过滤真空干燥；取出干燥产物并放入含乙烯基硅烷偶联剂（结构通式为：YSiX3，式中，Y为非水解基团：乙烯基，X为可水解基团）的无水乙醇溶液中，搅拌加热并慢慢加入少量水，在加水的过程中，硅烷偶联剂慢慢水解并和硅表面的羟基发生缩水反应形成稳定的Si-O-Si键，从而使硅表面修饰一层规则的乙烯基，无水乙醇清洗过滤真空干燥；取修饰乙烯基的干燥产物、少量苯乙烯和水混合均匀并加热搅拌，在此过程中缓慢加入极少量引发剂水溶液，在此过程中苯乙烯和硅表面乙烯基发生聚合反应使硅表面修饰一层聚苯乙烯；接着将修饰聚苯乙烯的硅粉和沥青溶入甲苯中搅拌直至沥青溶解，加热蒸干得到固体；最后将固体放入惰性气氛炉内进行煅烧得到碳包覆的硅负极材料。
上面结合实施例对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。