近十几年来,随着各种便携式电子设备及电动汽车的广泛使用和快速发展,对新型高比容量的锂离子电池电极材料的开发极具迫切性。本文对目前所知元素中（除锂外）具有最高理论比容量的硅基负极材料进行了研究,通过对纳米硅及其复合物的脱嵌锂过程的研究,从改善其电化学循环性能的角度,制备了介孔结构的纳米Si/ZrO₂复合材料并对其电化学性能进行了研究。 众多研究表明,在锂离子反复的插入和脱插的过程中电极会发生严重的体积膨胀,这种体积膨胀效应会导致电极的粉化和剥落,从而使硅活性中心失去电接触性能。本文研究了颗粒为30-60mm的纯硅粉的电化学吸放锂性能和循环过程中的结构变化,研究发现:在反复的充放电过程中,纳米硅粉的晶体结构遭到破坏,与锂离子生成非晶态的Li-Si合金;较之微米级的颗粒,细小的纳米硅粉表现出优异的循环性能,但其首次不可逆容量很大,达到35%,体积膨胀效应没有得到缓解。因此我们采用溶胶-凝胶法将纳米硅粉均匀的分散在介孔结构的ZrO₂当中,并采用匀胶机旋转涂膜法将其制成薄膜电极。所制备的Si/ZrO₂纳米复合薄膜电极具有20-60nm的孔径范围,首次放电库仑效率达到85%,并且具有1690mAh/g的高可逆容量和优良的循环稳定性。 研究表明:在Si/ZrO₂纳米复合薄膜电极的充放电过程中锂离子与活性硅发生合金化反应,而孔状的ZrO₂作为惰性基体不发生嵌锂行为,只是起到一种基体的支撑作用。ZrO₂的介孔结构可以缓解Si在充放电过程中的体积膨胀效应,并且为电化学反应提供快速的离子通道,最为重要的是电解液能够很容易的渗入其孔状结构中,从而保证了硅与电解液的充分接触。因此,Si/ZrO₂纳米复合薄膜电极表现出了优异的循环性能。 从对薄膜制备过程各参数变化的研究中发现,硅在孔状氧化锆基体中的分散量对电极的首次放电容量和循环稳定性均有影响。随着硅含量的逐渐增加Si/ZrO₂复合材料的初始容量逐渐上升,但其首次放电库仑效率有所下降,当硅的含量增加到58%时,下降的最为明显。 采用不同的表面活性剂制备出了不同孔径大小的复合材料薄膜,对于同样条件下制得的薄膜电极,随着介孔尺寸的不断增大,复合材料薄膜电极的首次放电库仑效率得到不断的提高,电极的电化学循环稳定性也更为优异。