随着新能源汽车及便携式电子设备等对锂离子电池高容量、高续航能力的需求,锂离子电池的发展达到了一个瓶颈。与传统的商业化石墨负极相比,硅材料具有超高的体积和质量比容量,因此成为最具应用前景的锂离子电池负极材料。硅碳复合材料便是研究热点之一。硅的理论容量极高,但在充放电过程中体积变化非常剧烈,从而导致电池的电化学性能大幅降低。碳材料具有较高的电导率,结构相对稳固,在循环过程中体积膨胀很小(10%以下)。并且碳材料还具有良好的柔韧性和润滑性,能够在一定程度上抑制硅材料在循环过程中的体积膨胀。硅碳复合材料能够综合硅材料与碳材料各自的优势,发挥出更优异的性能。在本论文中,我们利用原位电化学-扫描电子显微平台联合系统,实时、动态、系统地研究了硅碳复合负极材料在充放电过程中的形貌变化以及三维结构在嵌脱锂过程中的作用。具体的研究内容和成果如下:(1)自主设计并搭建了原位电化学-扫描电子显微平台联合系统。通过联用扫描电镜和电化学测试设备,成功实现了对电极材料在嵌脱锂过程中形貌变化的原位、实时、动态的观察。使用不同的电化学测试设备可以获得样品的多种电化学性能,如恒电流充放电测试和循环伏安测试。同时,扫描电镜也配备了可以对材料微区成分元素种类和含量进行分析的能谱仪,从而可以获得电极材料在充放电过程中除形貌变化以外的其它多种信息。(2)采用流延涂覆法制备了二维结构硅碳复合材料,又通过激光加工得到了线状结构和网格结构的硅碳复合材料。随后对这三种结构的硅碳复合材料进行电化学性能的测试发现,三维结构电极材料的电化学性能优于二维结构电极材料。这是由于激光产生的三维结构可以克服电极材料体积剧烈变化的缺点,从而抑制电极的失效。(3)通过原位联合系统观察硅碳复合负极材料在嵌脱锂过程中的形貌变化,研究不同结构对电极材料性能的影响,揭示了三维结构提高硅碳复合负极电化学性能的机制。对原位实验的结果分析发现,线状结构硅碳复合负极在锂化前期的膨胀程度随着容量的增加呈线性增长趋势。在此基础上,我们对现有的线状结构硅碳复合材料进行了优化。(4)利用XRD和TEM测试技术,研究了负极材料中硅颗粒的嵌锂机制。分析发现,在锂化前期,硅纳米颗粒表面的氧化硅层与锂发生置换反应形成氧化锂和硅,氧化锂在硅纳米颗粒表面呈岛状分布。在锂化后期,硅纳米颗粒体积膨胀产生的内应力使颗粒发生粉化,导致电极材料容量损失和电池失效情况的发生。