锂离子电池是一种广泛应用的二次电池。近年,电子消费产品和电动汽车的快速发展对其电池的能量密度和功率密度提出了越来越高的要求。提高能量密度的关键是研发更高容量的电极材料。硅由于其超高的理论比容量,成为最有潜力的下一代高容量负极材料之一。但由于硅在脱嵌锂过程中产生巨大的体积变化,导致其出现容量快速衰减等问题,因此硅负极的大规模实际应用仍面临挑战。多孔硅是具有独特网络状多孔性的硅材料,其结构内的孔隙为硅提供了向内膨胀的空间,缓冲了体积膨胀效应,其较大的比表面积可以增加与电解液的接触,网络状结构也为锂离子和电荷的传输提供了多条通道,是研究领域关注的焦点之一。本文主要以Mg2Si热氧化制备多孔硅的方法为基础,围绕多孔硅/碳结构的优化、碳源的选择、制备方法的改进、以及多孔硅和金属的复合等课题展开研究,取得的创新性结果如下:(1)对传统的多孔硅/碳制备工艺进行改进,采用了对Mg2Si热氧化产物先包碳再酸洗的办法,得到了碳笼包覆多孔硅的结构。碳笼与硅之间以及多孔硅内部的孔隙为硅的体积膨胀提供了空间,减小了硅向外膨胀时对碳层造成的压力,得到了一个相对较稳定的结构,增强碳笼稳定性的同时也稳定了外层的SEI膜,减小了电极整体的“呼吸效应”。因此,相对于传统的多孔硅/碳核壳结构,该结构显示出了更小的电极整体膨胀率和更加优秀的电化学性能。(2)通过Mg2Si先与CO2反应,然后再酸洗的方法,得到了新型的多孔硅/碳笼核壳结构。这是国际上首次利用清洁环保的CO2为碳源制备硅/碳复合材料,该碳层表现出了较高的石墨化程度和较好的导电性。该方法将碳笼的包覆和多孔硅的形成整合到一个步骤,简化了工艺,具有大规模产业化的潜力。对制备的多孔硅/碳笼核壳结构复合材料进行锂电池性能测试,表现出了优秀的循环稳定性和倍率性能。(3)通过Mg2Si先与CuO发生固态反应,然后再酸洗的办法,制备了内嵌Cu3Si的三维多孔硅这一新型复合材料。该材料为微米级的多孔颗粒,2-5nm的Cu3Si纳米颗粒均匀内嵌于多孔硅的基体中。Cu3Si的加入提高了整体的导电能力,减少了表面极化效应,促进了电荷的快速传输。作为锂离子电池负极,该材料表现出了比纯多孔硅更加优异的循环稳定性和倍率性能。(4)通过对Mg2Si和Mg2Ge混合物热氧化再酸洗的办法,得到了多孔硅锗复合材料。该材料为微米级的多孔颗粒,Si、Ge以单质的形式均匀结合在一起。由于Ge比Si具有更低的体积膨胀率和较高的电子电导率,因此降低了整体膨胀程度,提高了整体的导电能力。同时,Si和Ge具有不同的初始嵌捏电位,在锂离子嵌入时其互为缓冲层,在提高结构稳定性方面起到协同作用。因此,对其进行碳包覆后,作为锂离子电池负极材料,表现出优异的循环稳定性和倍率性能。