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近些年,随着动力电池、大规模固态储能设备和小型电子设备领域的发展,人们对下一代锂离子电池有了更高的能量密度和长循环性能要求。硅材料(Si),具有自然界中几乎最高的理论容量4200mAhg-1,并且工作电位合适、自然储量高,因此被寄希望于替代石墨成为下一代锂离子电池负极材料。但是Si在脱/嵌锂时产生的～300%的体积膨胀容易导致电极材料结构坍塌、电化学性能急速衰减等缺点,因此制约了硅材料进一步的产业化发展。针对以上问题,本文将硅纳米颗粒与多种碳材料复合并制备了阵列结构的硅基薄膜电极,通过结构设计增加电极导电性以及缓冲Si在充放电过程中的体积变化,从而有效提升了硅负极的电化学性能。本文主要的研究内容和结果如下:(1)利用自然界中简单易得的甘蔗作为生物碳源和多巴胺的聚合作用制备了具有三维结构的生物活性炭/硅复合的纳米结构(3D C/Si)。作为锂离子电池的负极材料,3DC/Si复合结构表现出了优异的电化学性能,在200mAg-1的电流密度首次循环可以达到3353 mAh g-1的嵌锂容量,并且在10次循环后容量依然可以稳定维持。(2)采用一步水热法合成了石榴状Si/C多孔微球复合结构(MP-Si/C),其中纳米硅颗粒均匀嵌入在碳基底中,就像石榴结构中的“果肉-果核”构造。碳材料作为保护层可以有效缓冲Si在体积膨胀时的内应力,同时也阻碍了Si纳米颗粒与电解液的直接接触。电化学测试表明MP-Si/C复合材料具有明显提升的循环稳定性,在0.2 A g-1电流密度下循环100次后比容量仍有581 mAh g-1,容量保持率为77.4%(相对于第二次放电容量),即使将电流密度提高到1Ag-1,也能达到421 mAh g-1的可逆比容量。(3)通过水热法和磁控溅射两步制备了自支撑Co/Si核壳纳米线阵列。Co/Si NWs的结构设计可以有效释放Si膨胀时产生的内应力,抑制粉化现象。另外较大的比表面积还能有效增加Co/Si薄膜与电解液的接触面积,加快Li+在液/固相中的传输速率,降低电极的极化现象。在0.5Ag-1电流密度下循环100次后Co/SiNWs的比容量为1260mAhg-1,单圈容量衰减仅有0.02%。将电流密度提升到1Ag-1,500次反复充放电后依然有90.6%的容量留存。在高倍率下Co/Si NWs电极也有不俗的表现,4 A g-1下循环比容量达880 mAh g-1,当电流密度回到500 mA g-1时,容量可恢复至初始的93%。