锂离子电池由于具有比能量大、工作电压高、安全性好、环境污染小等优点,在各种便携式电子设备、电动汽车等方面有着广泛的应用前景。最近几年,随着对高能电源需求的增长,围绕如何开发高能密度、快速大功率充放电的锂离子电池展开了大量研究。一般来说,锂离子电池的总比容量是由组成电池的各元件共同决定的,而负极材料作为储锂的主体,是提高锂离子电池总比容量、循环寿命、充放电性能等相关参数的关键。硅具有非常高的理论比容量和较低的嵌/脱锂电位,被认为是最具有潜力实现下一代高能量密度锂离子电池的新型负极材料之一。但在充放电过程中,体积过度膨胀粉化导致容量衰减快,成为其作为商业负极材料的最大障碍。而碳材料作为负极材料虽然比容量小,但不仅具有一定的电化学活性,结构也较稳定,可以作为硅电极的“缓冲基体”。因此,结合两者的性能有可能制备出具有高容量和优良循环性能的硅-碳复合负极材料。本论文是与法国圣戈班集团上海研发中心合作,拟开发出一种具有高容量和优良循环性能的锂离子电池硅碳复合负极材料。主要研究内容有,通过SiO发生歧化反应,在不同的热处理条件下制备多种Si-SiOx复合物,并将其与用真空抽滤法制备的三维网络结构石墨烯进行自组装,得到不同种类的Si-SiOx-C复合负极材料。用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和蓝电电池测试系统分别对Si-SiOx复合物、石墨烯及Si-SiOx-C复合材料的形貌、结构和电化学性能进行了表征。实验结果表明,真空抽滤法可以成功制备空间网络结构十分明显的3D结构石墨烯。其电化学测试结果显示,石墨烯首次循环充电比容量为311.2mAh/g,与纯炭材料的理论比容量372mAh/g相差较少,且库伦效率高达84.9%；经过100次循环后充电比容量为134.1mAh/g,虽然相比首次充电比容量有所减少,但是比容量仍然较高,且整个充放电过程的稳定性也较好,第100次循环的库伦效率也高达97%,充分说明3D结构石墨烯用作锂离子电池负极材料时具有较好的电化学性能。通过SiO的歧化反应成功制备了Si-SiOx复合物。制备过程中由于热处理条件不同得到的Si-SiOx复合物的性能也不同。其电化学测试结果显示,随着反应过程中的热处理温度的升高,Si的结晶度也随之升高,相应的Si-SiOx复合物的首次循环充放电比容量却越来越低,这是因为热处理温度越高,Si的结晶度越大,Si的颗粒尺寸越大,尺寸较大的Si颗粒不利于锂离子嵌入和脱出,从而导致比容量下降。而在Si-SiOx复合物的多次循环性能测试中,复合物的比容量急剧下降,这是由于歧化反应过程中生成了大量的单质硅,虽然硅具有非常高的理论比容量和较低的嵌/脱锂电位,但其体积过度膨胀粉化导致容量衰减快,因而循环数次之后其容量大大衰减。说明较低的热处理温度有利于制备出比容量更高的Si-SiOx复合物电极材料。当Si-SiOx复合物与石墨烯自组装之后,得到的Si-SiOx-C复合材料的首次循环充放电比容量大大提高,充电比容量由152.24mAh/g上升到811.3mAh/g,不可逆容量也大大减少,且电池的库伦效率由14%增加到52%。在循环100次之后,其充放电比容量也大大提高,稳定性很好,从第5次循环开始,充放电比容量都维持在一个稳定的水平,约为150mAh/g左右,基本不再衰减；不可逆容量也大大减少,而库伦效率也大大提高,基本达到100%。这表明石墨烯与Si-SiOx复合物组装之后能够大大提高比容量、循环稳定性和库伦效率,说明石墨烯能够有效限制Si颗粒的体积膨胀效应,提高Si-SiOx复合物的电化学性能。