随着现代科学技术的迅猛发展,便携式电子产品、汽车等行业朝着轻质、便携、高效、长寿命等多功能方向发展。锂离子电池作为目前重要的储能设备,也必然朝着这一方向前进。锡、硅是两种具有较高储锂容量的新型锂离子电池负极材料,是取代传统低容量石墨负极的理想材料。然而锡、硅在电池充放电过程中伴随着巨大的体积变化率,容易引起材料的粉化和失活等微观结构的破坏,造成电池容量的快速衰减,限制了他们的商业应用价值。针对这一问题,本论文采用纳微化与复合化相结合的方式,以锡、硅纳米颗粒为活性物质,降低其绝对体积变化程度;同时再以碳质材料为基体,缓冲锡、硅颗粒的体积变化、维持导电网络、防止纳米材料团聚。作为负极基体材料,它的微观结构对锡、硅材料储锂容量的发挥以及整个负极的电化学性能都有很大的影响。在此基础上,本论文通过碳质基体材料孔结构构筑(如:一维碳纤维基体、二维碳层基体、三维石墨烯水凝胶基体),进一步改变材料的空间维度、比表面积、内部孔隙结构、导电网络结构、材料弹性等,研究不同基体结构对负极材料的各项性能产生的影响,总结主要影响因素和电化学性能变化规律,探索提升锡、硅负极材料电化学稳定性的有效方法,并为后续负极材料结构设计提供一些参考。具体研究内容和结果如下:1.以异形截面粘胶纤维为前驱体,通过溶液浸渍法在纤维表面原位引入锡、硅元素,在经过碳化处理得到具有一维结构的sn/cf、siox/cf负极材料。其中sn颗粒尺寸小于1μm且紧密锚定在异形截面cf表面沟槽中。sn/cf用作锂离子电池负极时显示出较高的循环稳定性,循环160次后储锂容量仍高达740mah/g,在2c的大电流密度下容量保留350mah/g。而siox颗粒尺寸为20nm,疏松的包覆在cf表面形成核-壳结构。siox/cf作为锂离子负极时,250ma/g的电流密度下循环160次后储锂容量仍高达481mah/g,在500ma/g的大电流密度下容量保留370mah/g。表明这种一维异形截面碳纤维中的沟槽和空隙能够有效缓解锡、硅的体积膨胀,防止纳米颗粒的脱落及团聚。通过交流阻抗测试表明纤维间的毛细通道能够保证锂离子的快速传输,从而保证了该负极材料优异的电化学性能。2.以二维石墨片为碳质导电基体,通过溶液沉积法在石墨片层表面均匀生长sno2纳米颗粒,得到二维的sno2/g负极材料。利用石墨片层的高比表面积有效防止sno2纳米颗粒间的团聚,使颗粒在石墨片层表面形成疏松且相互连通的网络结构。同时石墨片层在平面方向形成完整的导电网络,大幅度提高了负极材料的导电性能。得益于sno2与石墨之间的协同效应,sno2/g作为锂离子电池负极时,循环50次后储锂容量稳定在518mah/g。3.以石墨烯自支撑膜为二维碳质导电基体,以碳纳米管(cnts)作为导电支撑材料,引入si纳米颗粒后再通过蒸汽处理得到层间结构疏松的二维si/cnts/gp自支撑膜负极材料。该负极材料中cnts/石墨烯自支撑膜的层间距离明显扩大,存在丰富的内部空穴和贯穿孔洞,具有很高的比表面积,有效提高电解液对材料的浸润性,极大缩短了离子传输距离。同时这些内部空穴也有效缓冲Si充放电时的体积膨胀,提高了材料的结构稳定性和电化学性能。Si/CNTs/GP作为锂离子电池负极时,4 A/g的大电流密度下容量高达600 mAh/g,具有良好的大电流循环稳定性能。4.以三维多孔的石墨烯水凝胶为碳质基体,通过溶液水解反应和溶液自组装法,成功引入SnO2纳米颗粒和臭氧处理后的Si@SiOx纳米颗粒,得到三维SnO2-GH、Si@SiOx/GH负极材料。其中SnO2颗粒尺寸为2-3nm,且均匀分布在石墨烯层上,担载量可以达到54wt.%。作为锂离子电池负极时,5 A/g的大电流密度下循环60次容量稳定在500 mAh/g,电流减小到50 mA/g循环80次后容量仍高达865 mAh/g。在Si@SiOx/GH中直径为30-50nm的Si@SiOx均匀分布在石墨烯层上,担载量高达71wt.%。作为锂离子电池负极时,在4 A/g的大电流密度下容量稳定在1020 mAh/g,电流减小到0.1 A/g循环100次后容量高达1640 mAh/g。这些优异的循环稳定性和大电流充放电性能主要得益于三维石墨烯水凝胶的疏松、多孔结构。与传统的二维石墨烯材料相比,这种三维石墨烯水凝胶能有效阻止石墨烯层的堆叠,提高电极比表面积及电解液浸润程度,保证锂离子的快速传输。同时丰富的内部空穴能够有效避免SnO2、Si@SiOx颗粒团聚并缓冲其巨大体积膨胀,维持电极结构的稳定性,是一种非常适于大电流充放电的锂离子电池负极材料基体。