高能量密度锂离子电池的发展迫切需要开发高比能量的负极材料。硅基材料具有极高的比容量,是理想的下一代锂离子电池负极材料。然而,硅基负极的体积效应直接导致了其结构与界面的不稳定性,这严重限制了其循环寿命。此外,在实用中硅负极材料面临高成本、低面容量等技术挑战。为提升硅负极的结构和界面稳定性,本文系统研究了硅碳复合材料的结构设计与构筑,聚合物界面的构筑,分析了材料结构与电化学性能之间的关系,探究了聚合物涂层对硅负极界面化学的作用机制。同时,探究了低成本硅基负极的制备技术和高面容量硅基电极的设计与构筑。利用静电自组装作用和三聚氰胺的热解特性构筑具有三明治结构的硅碳复合材料,探究结构与电化学性能之间的关系。研究表明,硅颗粒被均匀地封装在二维氮掺杂碳材料中。复合材料表现出优异的电化学性能,300次循环后仍保持1000 m Ah/g的高比容量,这得益于二维氮掺杂碳材料与硅颗粒组成的三明治结构改善的结构稳定性和离子-电子输运动力学。研究夹层结构对硅碳复合材料电化学性能的影响,探究夹层结构对锂离子扩散动力学和结构稳定性的作用。研究表明,Ti O2/Ti5Si3夹层不仅可以有效提升结构稳定性,而且能够加速锂离子的扩散动力学。电化学测试表明,Ti O2/Ti5Si3夹层可以明显改善硅碳复合材料循环性能,2800次循环后仍保持着876 m Ah/g的高比容量。研究分子层沉积的聚脲涂层对硅负极电化学性能的影响,分析涂层对界面化学的作用机制,探究涂层对大粒径硅颗粒及不同电解液的兼容性。电化学研究表明,约3 nm的涂层能够显著改善硅负极的循环稳定性和倍率性能。界面分析表明,聚脲涂层可以缓解锂盐的分解,促进形成薄的富含Li F的SEI膜。同时,聚脲涂层对大粒径的硅负极和醚类电解液表现出良好的兼容性。研究分子层沉积的Zincone涂层对硅负极电化学性能及其界面化学的影响,探究涂层在充放电过程中的演变机制。研究表明,约3 nm厚的Zincone涂层能够明显改善硅电极的电化学性能。元素分析表明,在充放电过程中Zincone中的锌元素转化成了金属态锌或锌锂合金,这极大加速了离子-电子输运动力学。此外,Zincone涂层能够缓解锂盐分解,促进形成富含Li F的SEI界面。研究以废弃玻璃作为前驱体,构筑低成本的硅负极材料,探究结构与电化学性能之间的构效关系。结构分析表明,制备的硅负极是由相互交联的硅纳米片组成的且内部含有大量的介孔。得益于结构优势,该负极材料表现了优异的电化学性能。更重要的是,该研究为废弃玻璃的回收再利用提供了一条有效途径。利用挤压式3D打印可控构筑高面容量的硅-石墨烯自支撑电极,探究电极结构对电化学性能的影响。研究表明,网格状电极中的预留空间能够缓解硅的体积变化,增强电极结构稳定性,而且电极中的石墨烯导电网络可以提供良好的电子离子传输通道。电化学测试表明,3D打印的电极表现了极高的面积比容量,70次循环后电极的面容量仍然高达8.5 m Ah/cm~2。研究以工业粗硅作为原料,制备低成本硅-石墨-碳复合材料,并对材料的高载量性能和全电池中的应用进行了探究。研究表明,复合材料中的硅颗粒被固定在由石墨和热解碳组成碳骨架中,极大提升了硅负极的结构稳定性。电化学测试表明,复合材料表现出优异的高载量循环稳定性。此外,该复合材料成功应用在全电池中,展现了巨大的应用前景。