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目前,锂离子电池（LIBs）由于其能量密度高、无记忆效应和安全性好等优点,已经成为最重要的能源存储装置之一。电极材料的选择对LIBs的电化学性能起到至关重要的作用。其中,硅氧化物（SiOx）具有理论比容量高、自然资源丰富、易制备和无毒等优势,被认为是一种很有前景的负极材料。但是,其仍然存在固有的低电导率和脱嵌锂时较大的体积膨胀的问题,阻碍了进一步实际应用。针对这两个主要的问题,本论文设计具有普适性的静电喷雾-碳化合成方法,通过纳米化、与导电性材料复合和构筑缓冲空间策略对SiOx进行了改性,有效改善了 SiOx作为LIBs负极材料的储锂性能包括放电比容量、循环寿命和倍率性能;通过一系列典型的表征手段和电化学测试探究各类SiOx复合材料的结构、组成和电化学性能之间的联系;对反应前后的SiOx基电极的截面厚度和表面的状况进行SEM测试来评估充放电过程中的体积效应;通过密度泛函理论（DFT）计算研究不同SiOx复合材料具有的锂吸附能以及导电性的差异;除此之外,利用原位XRD及非原位XPS分析SiOx负极材料的储能机理。论文的五章研究内容如下:1.硅氧化物/氮掺杂碳微米球的设计及其储锂性能研究以生物质稻壳（RHs）作为Si源,经过预处理、煅烧、超声及离心过程可以获得纳米尺度和分散性较好的SiO2纳米颗粒（NPs）。在此基础上,以聚丙烯腈（PAN）为氮掺杂碳（N-C）源,通过静电喷雾-碳化方法制备N-C微米球基质内部包裹SiOx NPs结构。系统探究了前驱体溶液中SiO2NPs的加入量对制备一系列SiOx/N-C微米球的形貌和结构的影响,继而探讨结构对其储锂性能的影响。结果表明,SiO2 NPs的量会对N-C基质的包覆效果及SiOx NPs的分散性产生显著影响。当SiOx在复合材料中占有～64.3%含量时,SiOx/N-C复合材料（SNC-2）具有最佳的放电比容量、循环性能和倍率性能。在0.1 Ag-1的电流密度下,经过100圈循环后,能够保持622.8 mAh g-1的放电比容量。这得益于合适的碳包覆作用及SiOx NP具有良好的分散性,提高了 SiOx材料的电化学活性和导电性并有效缓解了充放电过程中产生的体积膨胀。2.硅氧化物/超细金属纳米颗粒/氮掺杂碳复合材料的设计及其储锂性能研究在前一章的基础上,设计将铁系乙酸盐引入到前驱体溶液中并在氢氩混合氛围下碳化获得一系列SiOx/M/N-C（M=Fe、Co、Ni）材料。研究超细金属NPs和N-C基质的引入对SiOx复合材料的结构和电化学性能的影响。结果表明,煅烧温度对金属NPs的尺寸有显著影响,以金属Ni单质为例,煅烧温度的升高会增加Ni NPs的尺寸。当煅烧温度为 650℃ 时,FeNP（～5 nm）、CoNP（～10nm）和 NiNP（～5 nm）在 N-C 基质中分散性均较好。超细Ni NPs能够明显增强SiOx体系的导电性和有效缓冲体积变化,同时还可提高电化学活性,具有一定的催化作用。因此,当三者修饰的三元SiOx复合材料及前驱体作为LIBs负极时,SiOx/Ni/N-C微米球表现出最优的电化学性能。在100 mA g-1的电流密度下,经过200圈循环后,其展现了约757.5 mAhg-1的高比容量,同时在0.5 Ag-1的电流密度下,能保持665.0 mAh g-1的放电比容量。除此之外,在5 A g-1和10 Ag-1的大电流密度下,SiOx/Ni/N-C样品也展现出良好的长循环性能。另外,通过对反应前后的电极片表面及截面的状况观察,分析超细金属和N-C基质对SiOx复合材料的体积膨胀起到的抑制作用。3.硅氧化物/铁氮共掺杂碳复合材料的设计及其储锂性能研究在前一章SiOx/M/N-C体系中,负载有金属Fe NPs和Ni NPs的样品均具有超细的尺寸和较高的首圈放电比容量,这主要归结于超细金属NPs的引入以及具有的催化作用。因此,可以设计具有金属掺杂的碳基质封装SiOx NPs,能够更好地发挥金属材料在尺寸和催化作用方面的优势,以进一步提高SiOx体系的导电性和电化学活性。总体上,采用乙酰丙酮铁（Ⅲ）作为金属盐溶解在PAN/SiO2前驱体溶液中,同样通过静电喷雾技术制备铁氮共掺杂碳封装SiOxNPs微米球材料（SiOx/Fe-N-C）。其中,通过球差电镜和同步辐射测试手段证明Fe元素已成功掺杂且主要是以Fe单原子的形式存在。用作LIBs负极时,在100 mA g-1的电流密度下,循环100圈后,SiOx/Fe-N-C材料具有799.1 mAh g-1的高放电比容量。在5 A g-1的大电流密度下,经过5000圈的循环后能够维持173.7 mAh g-1的放电比容量。与纯SiO2和SiOx/N-C对比,SiOx/Fe-N-C复合材料的可逆容量、循环稳定性和倍率性能均有显著提升。通过DFT计算（吸附能和态密度）证明Fe-N-C的引入可显著改善SiOx复合材料的Li吸附能和导电性。另外,利用电化学测试和原位XRD表征揭示了 Fe单原子的催化作用可促进LixSi的氧化,提高材料的电化学可逆性,同时探究了 SiOx/Fe-N-C材料的储锂机理。4.硅氧化物/氮掺杂碳@石墨烯复合材料的设计及其储锂性能研究石墨烯作为典型的碳材料,具有优异的电子传输能力,可以显著提高SiOx体系的导电性同时提高放电比容量。因此,本章基于静电吸附原理设计在SiOx/N-C微米球外面再包覆多层还原氧化石墨烯（rGO）,通过水热法获得SiOx/N-C@rGO材料。探究rGO包覆前后对SiOx复合材料的结构和性能的影响;探究不同rGO复合SiOx/N-C材料的组成和结构对储锂性能的影响。结果表明,适量的rGO在水热条件下有利于多层rGO卷曲包覆在球状结构表面（SiOx/N-C@rGO）;过量的rGO会导致分散性差难以实现完整包覆,反而形成rGO片层间分散球状结构而且rGO纳米片的堆叠较严重（SiOx/N-C/rGO）。rGO的引入均可明显提高SiOx/N-C@rGO和SiOx/N-C/rGO负极的首圈放电比容量和导电性,而前者的循环稳定性比后者更优异。在100 mAg-1电流密度下,SiOx/N-C@rGO样品经过100圈循环后的放电比容量达到709.6 mAh g-1,而SiOx/N-C/rGO样品的放电比容量仅能保持531.4mAh g-1。这主要归因于rGO作为碳材料也存在一定的体积膨胀,少层rGO包覆,可以减少SiOx纳米材料与电解液之间的反应,且具有一定的柔性缓冲空间,而过量的rGO团聚严重导致影响电子传输且缓解体积膨胀能力差。5.硅氧化物/铁氮共掺杂碳/石墨烯复合材料的设计及其储锂性能研究超细Ni单质导电性好且稳定性好而Fe元素掺杂对导电性的提高作用更明显还具有催化作用。显然,若两者相结合的难度较大且不易控制。另外,在SiOx/Ni/N-C基础上,想要进一步提高电化学性能,必然不能影响金属NPs的分布和尺寸大小带来的优势。故而本章考虑在Fe元素掺杂的基础上继续优化,Fe原子可通过PAN衍生的N-C基质固定住,防止二次煅烧带来的金属元素的存在形式发生较大的改变。同时将溶剂交换的氧化石墨烯（GO）分散在前驱体溶液中,通过静电喷雾-碳化策略成功制备了SiOx/Fe-N-C/rGO材料,简化了前一章SiOx复合材料的制备方法。既能保留金属和非金属共掺杂带来的优势又能相对提高rGO的分散性,内外部均分散有rGO纳米片,构筑三维导电网络,促进电子传输和离子扩散。对比SiOx/Fe-N-C和SiOx/N-C/rGO负极材料,一系列电化学测试表明SiOx/Fe-N-C/rGO材料具有最佳的电化学性能并探究了 Fe-N-C和rGO纳米片的引入对SiOx作为负极材料的性能的提升作用。SiOx/Fe-N-C/rGO样品在500 mA g-1的电流密度下,经过300圈循环后,其放电比容量达到701.2 mA h g-1且在5 A g-1下,经过5000圈循环后,放电比容量仍能保持203.2 mAh g-1。