锂离子电池在过去几十年的发展中,已日趋成熟,成为最重要的商业化储能设备之一。在商业应用中,提高电池的容量和延长其使用寿命是人们始终追求的目标。硅基材料具有目前已知的最高理论容量(≈4200 mAh g-1),是石墨的十倍以上。此外,低放电电势和弱极化效应使得硅成为继石墨后最具潜力的锂离子电池负极材料。但硅负极在充放电过程中巨大的体积膨胀、固体电解质界面膜的连续生成以及自身的弱导电性都使其实际应用受到了限制。为了解决上述问题,本论文从材料和结构两方面出发,通过精心的设计和合理的工艺过程,制备了一系列具有优化结构的硅基复合材料。将Si与良导体材料复合,尝试提高硅材料的电子电导率;通过合理的设计,优化材料的空间结构,为硅在充放电过程中剧烈的体积变化提供缓冲空间,稳定电极结构,以实现硅负极的高容量和长寿命。(1)基于Si纳米颗粒与MXene纳米片的静电自组装及水热过程,构建了具备三维多孔结构双重MXene包覆的硅基复合材料SiNP@MX1/MX2。静电自组装MXene层(MX1)能够有效避免Si颗粒间的团聚,减小硅的体积膨胀张力;三维MXene网络骨架(MX2)有效改善了电极材料的电子传导和离子传输性能,大大提升了扩散动力学;同时,双重MXene(MX1和MX2)的协同作用,为Si的体积膨胀提供了足够的缓冲空间。该材料表现出出色的循环性能(在500 mA g-1电流密度下200次循环后的可逆容量为1422 mAh g-1)和良好的倍率性能(在50、100、200、500、1000、5000 mA g-1电流密度下对应的首次放电容量分别为 2865、1895、1686、1407、1177、852、574 mA h g-1),高库仑效率和长寿命。(2)基于微乳液模板法,通过正硅酸乙酯水解,在不同温度下制备了花球状SiO2前驱体。以葡萄糖为碳源进行碳包覆后再进行镁热还原,制备了Si@C复合材料。研究表明,70℃下制备的前驱体形貌结构最稳定,粒径分布最均匀,具有发达的径向孔结构。镁热还原后的Si@C复合材料很大程度上保留了前驱体的独特结构,去除镁热还原副产物MgO额外形成了原位刻蚀孔,进一步丰富了孔结构。测试结果显示,Si@C-5样品的比表面积为589 m2 g-1,孔径集分布在10-12 nm,优化的结构提供了足够的Si膨胀空间。此外,探究了不同碳包覆量对Si@C复合材料电化学性能的影响。其中,Si@C-5表现出最优异的循环性能(在500 mA g-1电流密度下循环100次后显示出808 mA h g-1的可逆容量)和出色的倍率性能(在50、100、200、500、1000、5000 mA g-1电流密度下的可逆容量分别为1492、1273、954、783、597、536和425 mA h g-1),说明碳含量的增加协同增强了电极材料的离子传输与电子传导,并有利于保持硅电极的结构完整性。(3)通过固态机械球磨法制备了不同质量比的Si-Cu合金。通过恒电流充放电测试,研究了铜及硅铜质量比对电极材料初始库伦效率(ICE)的影响。结果表明,当Si/Cu为15:1、10:1、5:1、1:1时,对应的ICE分别为76.0%、89.4%、82.5%和73.2%,均高于纯硅样品的65.8%,说明Cu的引入充当了缓冲保护层,提高了材料的机械强度,降低了硅材料的电阻,可以有效提高硅电极的ICE。将Si-Cu合金进一步与石墨烯结合,通过水热驱动及热处理制备了石墨烯网络包裹的Si-Cu@rGO复合材料。石墨烯作为高导电性材料,增强了活性材料的电接触,优化了电子和离子的传输路径,同时其连续的褶皱结构为硅纳米粒子的体积膨胀提供了自由空间。循环测试表明,石墨烯的引入显著提高了复合材料的容量保持率(在500 mA g-1电流密度下,200次循环后比容量为954 mA h g-1,容量保持率为50.9%)和结构稳定性。