锂离子电池以其因其优异的电化学性能和环境友好的特点在储能器件领域得到广泛的应用。限制锂离子电池电化学性能的主要因素是电极材料,硅具有最高的理论比容量和较低的脱嵌锂电压,且来源丰富,价格便宜,是理想的高性能锂离子电池负极材料之一。然而硅在充放电过程中存在严重的体积效应,导致电极材料的粉化和活性物质的脱落,从而严重影响硅电极材料的循环稳定性。另外,硅具有较低的电子电导率以及与常规电解液的兼容性较差,都限制了硅材料的实际应用。本文采用硅与石墨烯结合的方法,制备具有特殊形貌结构的石墨烯基硅碳负极材料,通过石墨烯基体有效抑制硅循环过程中的体积膨胀,并提高锂离子和电子的传输动力,从而提高硅电极的电化学性能。具体研究内容如下:1.无定形碳/还原氧化石墨烯/硅薄膜电极材料的制备及其电化学性能的研究。将聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)修饰的纳米硅颗粒与氧化石墨烯通过静电自组装结合,再抽滤成膜和热还原(500℃,氩气)制备了柔性自支撑的硅碳复合材料。PDDA经过碳化,在硅颗粒的表面留下一层无定形碳,并且将硅颗粒铆钉在石墨烯的片层上。该材料可以缓解硅颗粒循环过程中的体积膨胀,并保证硅颗粒于石墨烯之间有良好的电接触,在表现出来优异的电化学性能,在0.2 Ag-1电流密度下循环100次后仍然后仍有1002 mAh g-1的可逆比容量。2.硅/氮掺杂还原氧化石墨烯复合材料的制备及性能研究。将硅颗粒用3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)官能化处理,使其表面带有NH2+,然后与氧化石墨烯溶液混合水热处理(180℃,24h)再经过热还原(700℃,氩气)最终得到硅/氮掺杂还原氧化石墨烯复合材料。经过处理后还原氧化石墨烯被成功的引入了三种不同类型的氮原子(吡咯氮、吡啶氮和石墨氮),由于氮原子的引入该复合材料具备更多的缺陷和空位,提高了该电极材料的导电性性和锂离子扩散系数。在0.2 Ag-1电流密度下循环100次后仍然保持有1391 mAh g-1的充电比容量,容量保持率达到了 77.8%。3.硅/氮、硫共掺杂还原氧化石墨烯复合材料的制备及性能研究。进一步,将硅颗粒APTES官能化处理后,采用硫脲作为氮源和硫源,通过水热和高温热还原制备了硅/氮、硫共掺杂还原氧化石墨烯复合材料。硫原子的引入,一方面提高了锂离子的传输能力,另一方面,硫原子的引入使整个电极材料出现了很多的孔洞,这种多孔的结构有利于缓解硅颗粒的体积膨胀,缩短锂离子的传输距离,因此有较高的容量保持率,在0.2A g-1电流密度下循环65次后仍然保持有1570 mAh g-1的充电比容量,容量保持率达到了90.6%,显示出了优异的电化学性能。