开发具有更高能量密度的锂离子电池成为动力电池发展的主要方向。提高电池能量密度涉及问题较多,如需要研制性能优异的高容量正负极材料。在负极材料方面,目前最广应用的石墨负极理论容量为372mAh g-1,而已经商业化的高端石墨材料的实测容量已经接近容量极限,很难再有提高。因此,开发高性能的下一代锂离子电池负极材料迫在眉睫。硅基材料具有高理论容量、合适的嵌锂电位、资源丰富等特点,被认为是最具产业前景的下一代高容量锂离子电池负极材料。但是,硅基材料在脱/嵌锂过程中会产生巨大的体积变化,从而引起材料粉化、电极膨胀、电接触失效等一系列问题,最终导致容量衰减,这是影响硅基负极材料产业化应用的主要原因。因此,针对硅基负极的主要问题,本文从原材料选择、材料结构设计及粘结剂方面来改善硅基负极材料的电化学性能,主要包括以下几个方面:(1)以工业固体废弃物硅灰为硅源,引入亲水性碳纳米管,通过油包水反向微乳液法结合镁热还原制备了多孔硅微米球,粒度在1-10μm,有效的提高了振实密度,同时可促进硅灰的高附加值利用;碳纳米管在微球表面和内部交织贯穿,形成三维导电网络,有效提高了微球的离子扩散系数;丰富的孔结构和包裹的碳纳米管协同提高微球的结构稳定性和循环稳定性。制备的微球在2 C倍率下,经过1000次循环后,可逆容量仍有675.8 mAh g-1,容量保持率为81.2%,循环后的电极片裂纹较少,微球颗粒基本保持完整,具有优异的循环稳定性;与LiFePO4正极匹配,全电池在0.2 C下首次库伦效率高达91.2%,经过40圈循环后,逆放电比容量为129.4 mAh g-1。(2)以正硅酸四乙酯为硅源,十六烷基三甲基溴化铵为表面活性剂及造孔剂,结合碳热还原制备了碳包覆的介孔空心硅氧化物纳米材料,不同的醇水比对硅氧化物纳米球尺寸、形貌及性能有重要影响,在醇水比为0.45时电化学性能最优。在半电池测试中,电流密度100 mA g-1下循环200圈后可实现813 mAh g-1的可逆容量,在500 mA g-1电流密度下经过1200圈循环后,仍然保持704 mAh g-1的容量,容量保持率为82%,每圈容量的衰减率为0.015%。(3)采用廉价碳酸钙为模板,以沥青为碳源,制备了碳包覆的中空立方形硅氧化物负极材料,同时以聚丙烯酸和山梨醇为前驱体在集流体上原位合成了交联的三维粘结剂,CV测试表明粘结剂呈电化学惰性,所制备的电极平均剥离强度高,摩擦系数大,弹性模量较低,机械性能好。通过第一性原理计算表明,交联的三维粘结剂与碳包覆的中空立方形硅氧化物负极材料之间的吸附能更大。半电池测试中,在500 mA g-1电流密度下经过500次循环之后,可逆容量696 mAh g-1,容量基本不衰减,循环后的电极未产生裂纹,碳包覆中空硅氧化物立方颗粒微观形貌保持完整,具有优异的循环稳定性;以NCM523为正极,组装的全电池在0.5 C下循环160次后可逆容量为148 mAh g-1,具有94%的优异容量保持率。