[0001] 本申请涉及材料制备技术领域，具体而言，涉及一种多孔硅基材料的制备方法及制备设备。

[0002] 多孔硅是一种新型的一维纳米光子晶体材料，具有纳米硅原子簇为骨架的“量子海绵”状微结构。多孔硅基粉末因其独特的物理和化学性质，在锂离子电池负极材料等领域具有广泛的应用前景。

[0003] 多孔硅基材料的常规制备方法有催化剂法、模板法、硅溶胶法和电化学法，这些制备方法往往存在反应效率低、产物均匀性差、能耗高等问题，难以满足大规模工业化生产的需求。因此，开发一种高效、产物的均匀性较好且环保的多孔硅基粉末制备技术具有重要意义。

[0029] 为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

[0030] 除非另有定义，本申请所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本申请中在申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限定本申请；本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。本申请的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序或主次关系。

[0031] 在本申请中提及“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，也不是与其他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，本申请所描述的实施例可以与其他实施例相结合。

[0032] 在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“附接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

[0033] 本申请中术语“和/或”，仅仅是一种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这三种情况。另外，本申请中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

[0034] 本申请中出现的“多个”指的是两个以上（包括两个），同理，“多组”指的是两组以上（包括两组），“多片”指的是两片以上（包括两片）。

[0035] 本申请提供的制备方法及制备设备所制备的多孔硅基材料可以被应用于各类领域，本申请以该多孔硅基材料应用为电池组件的负极活性物质层为例进行描述。

[0036] 电池单体包括电极组件和电解液，电极组件由正极极片、负极极片和隔离膜组成。电池单体主要依靠金属离子在正极极片和负极极片之间移动来工作。正极极片包括正极集流体和正极活性物质层，正极活性物质层涂覆于正极集流体的表面，未涂敷正极活性物质层的正极集流体凸出于已涂覆正极活性物质层的正极集流体，未涂敷正极活性物质层的正极集流体作为正极极耳。以锂离子电池为例，正极集流体的材料可以为铝，正极活性物质可以为钴酸锂、磷酸铁锂、三元锂或锰酸锂等。负极极片包括负极集流体和负极活性物质层，负极活性物质层涂覆于负极集流体的表面，未涂敷负极活性物质层的负极集流体凸出于已涂覆负极活性物质层的负极集流体，未涂敷负极活性物质层的负极集流体作为负极极耳。
负极集流体的材料可以为铜，负极活性物质可以为碳或硅等。为了保证通过大电流而不发生熔断，正极极耳的数量为多个且层叠在一起，负极极耳的数量为多个且层叠在一起。

[0037] 硅作为电池单体的负极活性物质时，具有良好的容纳锂离子的能力，硅容纳锂离子是利用硅晶体的三维体相结构形成硅锂合金，硅接收锂离子后会发生较大的体积膨胀，为了抑制硅的体积膨胀对制成的电池所带来的负面影响，一般会采用将硅元素颗粒纳米化、结构设计或制成复合材料这三种方式来将制成硅基材料作为电池单体的负极活性材料使用，其中，多孔硅具有纳米硅原子簇为骨架的“量子海绵”状微结构，采用多孔硅基材料作为电池单体的负极活性材料使用时，多孔硅能够通过自身存在的孔洞容纳锂离子以缓解自身的膨胀，因此作为锂离子电池负极材料具有广泛的应用前景。

[0038] 发明人注意到，多孔硅基材料的常规制备方法有催化剂法、模板法、硅溶胶法和电化学法，这些制备方法制成的多孔硅基材料的孔洞的数量和分布都不均匀，这些均匀性较差的多孔硅基材料作为锂离子电池的负极材料使用时，锂离子可能堆积于这些多孔硅基材料的孔段较少的位置形成锂枝晶，锂枝晶可能刺破隔离膜导致电池的正极极片和负极极片直接接触，电池短路过热出现安全状况；此外，多孔硅基材料的常规制备方法需要耗费较多的催化或者反应用物料，产生可能污染环境的无用的废料，对环境造成污染。

[0039] 基于以上考虑，为了使制得的多孔硅基材料具有较好的均匀性，制备的过程高效且环保，发明人经过深入研究，开发了一种多孔硅基材料的制备方法，将硅基微球粉末与惰性载体乳液混合后放入离心反应容器，由微波辐射对混合乳液加热，高聚焦的微波能量可以使与硅基微球接触的水分发生爆破形成冲击能量，最终形成多孔的硅基微球，制得的多孔硅基材料具有较好的均匀性；制备过程中使用的惰性载体乳液可重复利用，制备过程中也没有物料的损耗，减少对环境的污染。

[0040] 根据本申请一些实施例，可选的，如图1所示，本申请提供了一种多孔硅基材料制备方法，包括：步骤S100：提供惰性载体乳液；
步骤S200：提供硅基微球粉末，将硅基微球粉末与惰性载体乳液混合搅拌，获得混合乳液，静置混合乳液；
步骤S300：待混合乳液静置完毕，提取混合乳液的上层液体；
步骤S400：将混合乳液放入离心反应容器2，并向离心反应容器2通入惰性气体进行增压；
步骤S500：旋转离心反应容器2，使混合乳液均匀分布，并对混合乳液进行微波辐射加热；
步骤S600：重复步骤S500以获得达到额定孔隙率的多孔硅基材料；
其中，惰性载体乳液不与硅基微球粉末发生化学反应，且惰性载体乳液与硅基微球粉末物理浸润相溶。

[0041] 惰性载体乳液在高温（300℃ 400℃）、高压（0.5MPa 0.8MPa）即常温、常压等环境~ ~下均不与硅基微球粉末发生化学反应。

[0042] 惰性载体乳液与硅基微球粉末物理浸润相溶，浸润是两种互不相容的物质表面的有限溶合。

[0043] 硅基微球粉末与惰性载体乳液可以通过超声波搅拌（例如放入超声波容器中搅拌）混合。

[0044] 惰性载体乳液与硅基微球粉末混合搅拌后，静置混合乳液，使硅基微球粉末与惰性载体乳液充分混合；混合乳液静置一段时间后，提取混合乳液的上层液体用于后续反应，由于各个硅基微球大小不均，硅基微球的重量与硅基微球的尺寸成正比，尺寸较大的硅基微球在重力的作用下会较快地沉降到混合乳液的底部，尺寸较小的硅基微球的沉降速度较慢，尺寸较小的硅基微球在混合乳液静置完成后也悬浮于混合乳液中，混合乳液中包含了尺寸较小的硅基微球的上层液体被取走，使得剩下的混合乳液所包含的大多都为尺寸较大的硅基微球，这一步骤对硅基微球的尺寸的一致性进行了筛选，使得后继获得的多孔硅基微球的尺寸较为一致；步骤S400向离心反应容器2通入惰性气体进行增压，一方面，惰性气体用于使离心反应容器2内部形成惰性反应环境，防止硅基微球粉末在高温下发生氧化等不良反应，减少硅基微球粉末的损耗，另一方面，通过增加压力提高混合乳液的沸腾温度，使混合乳液中的水分在高聚焦的微波能量的作用下发生爆破放出的冲击能量较多，有助于形成更多的孔隙结构；步骤S500旋转离心反应容器2，并对混合乳液进行微波辐射加热，混合乳液均匀分布于离心反应容器2的内壁，使得各处的混合乳液都能均匀且充分地接收到微波辐射的能量，高聚焦的微波能量使混合乳液中与硅基微球粉末接触的水分发生爆破形成冲击能量，硅基微球粉末在受到反复的冲击后得以变成多孔硅基微球，混合乳液中的水分能够与硅基微球的各处接触并在微波能量的作用下爆破对其进行能量，使得硅基微球上大量且均匀地出现孔洞，制得的多孔硅基材料具有较好的均匀性；步骤S600重复旋转离心反应容器2和对混合乳液进行微波辐射加热的步骤，使硅基微球的孔隙率进一步提高，直至获得达到额定孔隙率的多孔硅基材料（即多孔硅基微球）；采用该多孔硅基材料制备方法制备多孔硅基材料时，硅基微球粉末能够在反复的微波辐射加热下充分反应，相较于常规制备技术反应率较高，单次制备能够制得的多孔硅基材料的量较多，从而具有较高的制备效率，制得的产物均匀性好，制备过程中使用的惰性载体乳液可重复利用，且惰性载体乳液不会与硅基微球粉末发生化学反应导致自身损耗，制备过程损耗的物料较少，较为环保。

[0045] 根据本申请一些实施例，可选的，微波辐射加热的辐射方向被配置为基于离心反应容器2的旋转方向相对于离心反应容器2往复进行正向旋转和反向旋转以扫描离心反应容器2内的混合乳液；微波辐射加热的辐射方向扫描混合乳液的速度为5rad/min 10rad/~min。

[0046] 离心反应容器2开始转动时，微波辐射加热的辐射方向可以与离心反应容器2同速同向转动，当混合乳液均匀分布于离心反应容器2的内壁后，微波辐射加热的辐射方向基于离心反应容器2的旋转方向相对于离心反应容器2往复进行正向旋转（即微波辐射加热的辐射方向的转速大于离心反应容器2的转速）和反向旋转（即微波辐射加热的辐射方向的转速小于离心反应容器2的转速）以扫描离心反应容器2内的混合乳液。

[0047] 微波辐射加热的辐射方向离心反应容器2的旋转方向相对于离心反应容器2往复旋转以扫描均匀分布于离心反应容器2的内壁的混合乳液，微波辐射加热的辐射方向扫描混合乳液的速度为5rad/min 10rad/min，确保微波能量均匀作用于混合乳液中的硅基微球~粉末，实现混合乳液的高效加热和均匀反应。

[0048] 根据本申请一些实施例，可选的，重复步骤S500包括：离心反应容器2被配置为往复进行停止和旋转。

[0049] 离心反应容器2停止旋转的时间可以小于离心反应容器2旋转的时间。

[0050] 离心反应容器2停止旋转时，对离心容器内的混合乳液的微波加热也随之停止离心反应容器2旋转一段时间后，混合乳液内的硅基微球粉末会依照离心反应容器2的旋转方向和速度进行匀速运动，离心反应容器2被配置为往复进行停止和旋转，离心反应容器2停止转动，可以中断混合乳液内的硅基微球粉末的运动状态，使硅基微球粉末的运动变得较为混乱无序，硅基微球粉末能够从各个角度和位置接收到微波能量，孔洞能够均匀分布于硅基微球，提高制得的多孔硅基材料的孔隙率。

[0051] 根据本申请一些实施例，可选的，重复步骤S500包括：通过控制离心反应容器2的旋转参数使混合乳液进行自混合；其中，旋转参数为旋转角度、旋转中心或旋转轴。

[0052] 旋转参数可以包括旋转角度、旋转中心和旋转轴中的一个或几个。

[0053] 离心反应容器2旋转一段时间后，混合乳液内的硅基微球粉末会依照离心反应容器2的旋转方向和速度进行匀速运动，控制离心反应容器2的旋转参数使混合乳液的运动状态不断改变，使硅基微球粉末的运动变得较为混乱无序，硅基微球粉末能够从各个角度和位置接收到微波能量，孔洞能够均匀分布于硅基微球，提高制得的多孔硅基材料的孔隙率。

[0054] 根据本申请一些实施例，可选的，硅基微球粉末的尺寸为微米级，硅基微球粉末为SiOx微球粉末或硅粉。

[0055] 硅基微球粉末还可以是以硅为主要成分原料。

[0056] SiOx微球粉末为高纯氧化硅。

[0057] 硅基微球粉末的尺寸为微米级，以锂离子电池为例，硅基微球粉末作为电池的负极材料时，硅基微球粉末本身的尺寸较小，吸收锂离子后发生膨胀后引发的电池的负极材料层的体积膨胀较小，降低由电池的负极材料膨胀引发的安全事故的风险。

[0058] 根据本申请一些实施例，可选的，静置混合乳液的时长为10min～15min。

[0059] 当静置混合乳液的时长小于10min时，混合乳液内的硅基微球粉末的沉降效果较差，后续的提取混合乳液的上层液体的操作无法有效地将尺寸较小的硅基微球从尺寸较大的硅基微球中分离出来；当静置混合乳液的时长大于15min时，混合乳液内的硅基微球粉末的过度沉降，后续的提取混合乳液的上层液体的操作无法有效地将尺寸较小的硅基微球从尺寸较大的硅基微球中分离出来；
静置混合乳液的时长为10min～15min，使混合乳液中尺寸较大的硅基微球能够沉降至混合乳液底部，尺寸较小的硅基微球仍悬浮在混合乳液的上部，后续的提取混合乳液的上层液体的操作能够将混合乳液中尺寸较小的硅基微球筛去，使得硅基微球经后继操作后获得的多孔硅基微球的尺寸较为一致。

[0060] 根据本申请一些实施例，可选的，步骤S300包括：当混合乳液中出现沉淀时，提取混合乳液的上层液体至沉淀的顶面。

[0061] 当混合乳液中出现沉淀时，沉淀物包含大量的硅基微球粉末，且能够沉降至形成沉淀物，沉淀物所包含的硅基微球的尺寸较大，提取混合乳液的上层液体至沉淀的顶面就能将硅基微球的尺寸较小不足以形成沉淀物的硅基微球筛去。

[0062] 根据本申请一些实施例，可选的，步骤S500包括：均匀分布于离心反应容器2的混合乳液的厚度尺寸为1cm～3cm；混合乳液被微波辐射加热时的温度为300℃ 400℃，加热时~间为5h～8h。

[0063] 均匀分布于离心反应容器2的混合乳液的厚度尺寸小于1cm时，离心反应容器2内装有的混合乳液的量较少，使得后续产出的多孔硅基材料的量较少，降低多孔硅基材料的制备效率；均匀分布于离心反应容器2的混合乳液的厚度尺寸大于3cm时，微波的辐射难以保证辐射到距离微波的发射位置较远的部分混合乳液，导致未被辐射到的部分硅基微球的孔隙率较低，使得后续产出的多孔硅基材料的质量较差；
混合乳液被微波辐射加热时的温度小于300℃时，混合乳液接收到的微波能量较少，使得与硅基微球接触的水分接收到微波能量发生爆破形成冲击能量的次数较少，使得后续产出的多孔硅基材料的孔隙率较低；
混合乳液被微波辐射加热时的温度大于400℃时，混合乳液接收到的微波能量较多，使得与硅基微球接触的水分接收到微波能量发生爆破形成冲击能量的次数较多且爆破放出的冲击能量较大，可能破坏硅基微球本身的结构，使得后续产出的多孔硅基材料的质量不可控；
均匀分布于离心反应容器2的混合乳液的厚度尺寸满足1cm～3cm，使离心反应容器2内各处的硅基微球周围的水分都能够接收到足够的微波能量，使后续产出的多孔硅基材料的质量稳定；混合乳液被微波辐射加热时的温度为300℃ 400℃，加热时间为5h～8h，~
使混合乳液能够在离心反应容器2内充分反应，使得后续产出的多孔硅基材料的均匀性较好，孔隙率较高。

[0064] 根据本申请一些实施例，可选的，离心反应容器2通入惰性气体后的内部压强为0.5MPa 0.8MPa。
~

[0065] 混合乳液的沸点与反应容器的内部压强成正比，离心反应容器2工作时的内部压强满足0.5MPa 0.8MPa，使混合乳液的沸点提高，有助于提升硅基微球的孔隙率。~

[0066] 根据本申请一些实施例，可选的，如图4～图7所示，本申请提供了一种多孔硅基材料制备设备，多孔硅基材料制备设备包括支架1、离心反应容器2、第一控制模块3和定向微波发生组件4；离心反应容器2，可转动地设置于支架1，离心反应容器2用于容纳混合乳液，离心反应容器2设置有进料口20、出料口21和第一泵22，第一泵22用于向离心反应容器2泵入惰性气体；第一控制模块3，控制离心反应容器2在支架1上转动或停止，且第一控制模块3还控制离心反应容器2的旋转参数；定向微波发生组件4，包括微波发生单元40和第二控制模块41，微波发生单元40设置于离心反应容器2内侧，第二控制模块41控制微波发生单元40基于离心反应容器2的转动方向相对于离心反应容器2往复进行正向转动和反向转动；其中，离心反应容器2的内壁为弧面。

[0067] 支架1设置于地面或者工作平台上，离心反应容器2设置于支架1上且与地面或者工作平台之间存在空隙。

[0068] 离心反应容器2的形状可以为球体，离心反应容器2的内部空间也可以为球形。

[0069] 出料口21和进料口20可以分别设置于离心反应容器2的底部和顶部，便于离心反应通气的进料和出料。

[0070] 惰性载体乳液与硅基微球粉末混合成的混合乳液通过进料口20被放入离心反应容器2，封闭离心反应容器2后，第一泵22向离心反应容器2泵入惰性气体，使离心反应容器2的内部压强较大（满足0.5MPa 0.8MPa），然后，离心反应容器2在第一控制模块3的控制下转~动使混合乳液均匀分布于离心反应容器2的内壁进行离心反应，第一控制模块3控制离心反应容器2进行循环的转动和停止，或者，第一控制模块3控制离心反应容器2的旋转参数不断变化使混合乳液自混合；微波发生单元40随离心反应容器2的转动同步转动，然后第二控制模块41控制微波发生单元40基于离心反应容器2的转动方向相对于离心反应容器2往复进行正向转动和反向转动，使微波发生单元40发出的微波的辐射方向对离心反应容器2内壁上的混合乳液进行反复的扫描，让离心反应容器2内壁上各处的混合乳液都能接收到足够的微波能量；离心反应容器2的内壁为弧面，使混合乳液能够均匀地摊开在离心反应容器2的内壁上，有助于提升混合乳液的离心反应效率。

[0071] 根据本申请一些实施例，可选的，如图2所示，本申请提供了一种多孔硅基材料制备方法，包括：步骤S100：提供惰性载体乳液；
步骤S210：提供微米级的SiOx微球粉末，将SiOx微球粉末与惰性载体乳液混合搅拌，获得混合乳液，将混合乳液静置10min；
步骤S300：待混合乳液静置完毕，提取混合乳液的上层液体；
步骤S410：将混合乳液放入离心反应容器2，并向离心反应容器2通入惰性气体增压至0.6Mpa；
步骤S500：旋转离心反应容器2，使混合乳液均匀分布，并对混合乳液进行微波辐射加热；
步骤S600：重复步骤S500以获得达到额定孔隙率的多孔硅基材料。

[0072] 这种多孔硅基材料制备方法具有反应效率高、产物均匀性好、能耗低等优点，可广泛应用于锂离子电池负极材料等领域，实现了多孔硅基粉末的高效、均匀制备，满足了大规模工业化生产的需求。

[0073] 根据本申请一些实施例，可选的，如图3所示，本申请提供了一种多孔硅基材料制备方法，包括：步骤S100：提供惰性载体乳液；
步骤S220：提供微米级的硅粉，将硅粉与惰性载体乳液混合搅拌，获得混合乳液，将混合乳液静置15min；
步骤S300：待混合乳液静置完毕，提取混合乳液的上层液体；
步骤S410：将混合乳液放入离心反应容器2，并向离心反应容器2通入惰性气体增压至0.6Mpa；
步骤S510：旋转离心反应容器2，使混合乳液均匀分布，调整离心反应容器2的旋转参数使混合乳液自混合，并对混合乳液进行微波辐射加热；
步骤S600：重复步骤S500以获得达到额定孔隙率的多孔硅基材料。

[0074] 这种多孔硅基材料制备将硅粉与惰性载体乳液混合后放入离心反应容器2，由微波辐射对混合乳液加热，高聚焦的微波能量可以使与硅粉接触的水分发生爆破形成冲击能量，最终形成多孔的硅粉颗粒，制得的多孔硅基材料具有较好的均匀性和较高的孔隙率。

[0075] 虽然已经参考优选实施例对本申请进行了描述，但在不脱离本申请的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本申请并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。