作为一种最常用的化学电源，锂离子电池驱动着数以亿计的移动电话、笔记本电脑乃至汽车。虽然锂离子电池具有较高的容量、合理的价格以及较好的安全性，但是由于新型电极材料的欠缺，目前的锂离子电池技术越来越难以满足新型3C产品及电动汽车的需求。由于硅具有储量丰富、理论容量高、电极电位低等优势，目前成为了最热门的负极材料研究对象之一。然而，由于嵌锂/脱嵌锂过程的显著体积变化(＞300％)，硅材料极易发生结构的碎裂，导致电解液的不断分解和新SEI膜层的形成，从而引起电池容量的迅速衰减。因此，如何缓解硅材料的上述问题是硅基电极材料开发和应用中所面临的巨大挑战。本文主要通过硅材料的结构控制及其与碳材料的复合来提高其电化学性能。具体包括:
1.以铜泡沫为集流体和催化剂，利用化学气相沉积方法控制合成了具有珊瑚状表面的新型Si纳米线阵列(n-SNWAs)。在这一结构中，Si纳米线顶部由很多枝状结构构成，并相互交错组成珊瑚状表面。与传统的Si纳米线阵列相比，这种新颖结构具有优异的稳定性，能够有效缓解材料在锂离子嵌入和脱出过程中电极结构的显著变化和塌陷。此外，铜泡沫不仅作为Si纳米线的生长基体，并且同时担任催化剂和集流体的作用，极大地简化了Si纳米线阵列的生长以及后续电极的制备过程。这种n-SNWAs在低电流密度(200 mA g-1)下，可逆容量高达2745 mAh g-1;当电流密度高达3200 mA g-1时，可逆容量仍能保持884 mAh g-1。在低电流下循环50次后，容量为2178mAh g-1，具有较好的循环稳定性。更重要的是，在0.6 mA cm-2的充放电电流密度下，该材料还表现出与商用石墨相当的面积比容量(4.1 mAh cm-2)。
2.基于商用Si纳米颗粒，利用掺杂和刻蚀工艺制备了介孔单晶硅纳米颗粒(MSCs-Si)，其比表面积在23 m2 g-1和174 m2 g-1之间可控，并且具有丰富的孔结构。利用泡沫铜为集流体，将合成的MSCs-Si与氧化石墨烯(GO)层层组装在泡沫铜上，经过还原处理后制备得到锂离子电池负极。该负极在200 mA g-1的低电流密度下，可逆放电容量达1703 mAh g-1;在5000 mA g-1的高电流密度下，可逆放电容量仍保持390 mAhg-1。该负极在200 mA g-1电流下循环160次后，或者在5000 mA g-1电流下循环130次后，比电容量没有出现明显衰减，表明该负极具有优异的循环稳定性。
3.基于碳气凝胶具有质量轻、弹性好等特点，针对Si负极电子导电率低和锂化后材料体积的显著膨胀等不足，设计制备了具有开放孔结构和面面接触的新型Si/C复合材料。在该复合材料中，石墨烯和碳纳米管构成的碳气凝胶具有丰富的开放孔结构，通过气相沉积Si来调节孔隙大小，缓解Si材料在充放电过程中的体积变化，抑制Si的脱落;此外，沉积的一层Si与碳气凝胶能充分的面面接触，提高其导电率。经过优化后，Si材料在循环稳定性和高倍率下的充放电性能都得到了显著提高。作为锂离子电池负极材料，在200 mA g-1的低电流密度下可逆容量为1498mAh g-1，当电流密度高达10000mAg-1时，可逆容量为462mAh g-1，显著大于石墨的理论容量。更重要的是，所合成的Si/C复合材料，在10000 mA g-1的高电流下经过长达2000次的连续循环后，可逆容量没有明显下降，并且循环后材料的结构保持较好，表明该复合材料具有高度的结构一致性和优异的循环寿命。
4.利用镁粉为模板和还原剂，基于Stober法在镁纳米颗粒上包覆SiO2层，经过镁热还原反应并去除模板后，制备得到空心的Si纳米片(Si-HFs)。将所制备的空心Si纳米片与氧化石墨烯混合抽滤成膜后并还原得到Si-HFs/G复合膜，作为无支撑的锂离子电池负极，简化了繁琐的电极制备过程。电化学测试结果表明，在200 mA g-1的充放电电流密度下可逆容量为904 mAh g-1;在1600mAg-1的充放电电流密度下，可逆容量为297 mAh g-1。此外，该膜还具有良好的力学强度和柔韧性，组装成柔性电池后，在弯曲状态下循环15圈后可逆容量仍然保持在613mAh g-1，显著高于市售的石墨碳负极材料，在柔性电子储能器件领域具有潜在的应用价值。
关键词：锂离子电池 负极材料 多级结构硅基体 制备工艺 电化学性能
