锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、安全可靠等优点,广泛应用在便携式电子设备中,并逐渐向电动汽车、新能源储能领域拓展。新能源汽车等行业的快速发展对锂离子电池的能量密度提出了更高的要求。目前商业用的负极石墨具有较低的理论比容量(372 mA h g-1),己很难满足锂电池对能量与功率密度日益增长的要求。硅的理论储锂容量为4200 mA h g-1,电压平台适中,有望成为新型锂离子电池的负极材料。然而,硅电导性差且充放电过程中伴随着巨大的体积效应,易造成容量很快衰减,这些缺点严重限制了其商业化应用。针对以上问题,本论文开展了等离子体制备高分散纳米硅及其在锂离子电池负极应用的研究。主要研究内容如下：(1)采用热等离子体法制备了粒径分布在50～100 nm、形貌可控、分散性良好的零维纳米硅球(OD-SiNS),其在溶液和树脂中均保持均匀分散。通过热力学和生长动力学分析反应因素对晶体形貌和粒径大小的影响规律,认为等离子体中硅晶体的生长遵循气固成核机理：晶体生成包括过饱和、成核和生长三个阶段。在生长阶段,通入冷却气,提高冷却速率有利于得到分散性高,表面光滑致密的纳米硅球。(2)将等离子体法制备的纳米硅球用作锂离子电池的负极材料,对其电化学性能进行了深入的研究。纳米硅球在电极中能保持良好的分散性和结构稳定性,完全嵌锂时无破裂,体积仅膨胀270%。纳米硅球良好的分散性和稳定性使其循环性能获得了较大的提升,首次比容量高达2388 mAhg-1,首次库仑效率为70%,5次循环后库伦效率能稳定在99%。循环50次后,比容量稳定在500 mAhg-1左右,是石墨碳理论比容量的1.3倍,远远优于体硅的循环性能。(3)对等离子体制备的纳米硅球进一步改进,通过引入多孔碳,得到硅球分散良好的硅碳复合材料(SiNS/PC)。多孔碳包裹在硅球表面,形成封闭的核壳结构,碳层厚度约为10 nm。相比纳米硅球,SiNS/PC作为电池负极有两个主要优点：一是丰富的孔隙结构能够吸收硅嵌锂时的体积膨胀,减少体积效应；二是避免硅颗粒与电解液的直接接触,形成稳定的SEI膜。循环过程中,SiNS/PC颗粒平均粒径由43 nm膨胀至52 nm,体积膨胀率仅为174%。其循环性能也有了很大的提高,首次比容量提高为2510 mAhg-1,100次循环后,比容量是778mAhg-1,是石墨碳理论比容量(372mA hg-1)的2.1倍。同时,硅碳复合材料表现出了较优的大电流循环稳定性,在电流密度为4200 mA g-1时,平均比容量为445 mAhg-1,是石墨碳理论比容量的1.2倍。(4)鉴于球磨法得到的复合材料硅/碳结合强度低,循环后期脱落严重。研究中进一步利用喷雾干燥法制备了三维立体球形硅/碳(3D-SiNS/C)复合材料,进一步提高硅/碳在循环过程中的结合强度和结构稳定性。3D-SiNS/C颗粒平均粒径3μm,Si/C微球(～50 nm)构成二次颗粒的骨架结构,多孔碳作为粘结剂和导电剂,增加二次颗粒的结合强度,并构成三维导电网络。循环过程中,骨架颗粒体积膨胀仅为68%,二次颗粒体积几乎没有明显变化。其首次比容量为2059 mAhg-1、首次库伦效率为88%。整体循环曲线平稳,循环50次后比容量保持在1500 mAhg-1,是石墨碳的4倍,容量保持率为73%。硅基负极材料的循环稳定性得到进一步提高。(5)相比纳米硅球,硅纳米线具有轴向降低体积膨胀和径向锂快离子传输通道的优势。通过强化等离子体高温区保温时间制备了直径30～50 nm、长为几百纳米至微米级的一维纳米硅线。并以其为骨架颗粒得到了三维立体线团结构的硅碳复合材料(3D-SiNW/C)。在循环过程中,三维线团结构通过纳米硅线之间的孔隙变化吸收体积膨胀,整体结构在长时间脱嵌锂条件下(300次)能够保持稳定。虽然3D-SiNW/C首次比容量并不很高,为1206 mA h g-1,但具有较好的首次库伦效率(高达94%)和容量保持率,循环300次容量维持在620 mA h g-1以上。其中,循环100～300次,容量几乎没有明显的衰减,容量保持率在87%以上。