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随着锂离子电池应用领域的不断拓展和对其能量密度的需求越来越高，亟需研发高能量密度的锂离子电池。锂离子电池的能量密度主要取决于电极材料，就负极材料而言，目前广泛使用的石墨类负极已经接近其理论值，但仍难以满足高能量密度电池体系对负极材料的需求，而硅基负极材料因其具有极高的理论容量和适宜的充放电平台，被认为是最有前景和近几年能够走向实际应用的高能量密度锂离子电池用负极材料，为攻克硅基负极材料产业化进程中面临的基础科学和规模化制备问题，本论文主要开展如下三部分工作: (1)高压实密度的硅基负极材料制备及其性能研究 硅基负极材料应用过程中面临两个致命的缺陷:低的电子电导和巨大的体积膨胀，目前主要通过碳包覆和预留体积膨胀空间的方式解决这个问题。本工作中首先研发了一种低成本的液相包覆工艺，利用了多孔材料的反乳化作用在硅基材料表面实现了均匀的碳包覆，然后在材料制备过程中加入多种具有优异导电性的碳材料（如:石墨烯，碳纳米管，碳黑）和聚合物添加剂，在材料内部构建有效的三维导电网络和多孔结构，减少极片制备过程中导电添加剂的用量，提高硅基负极材料的电子电导和离子电导，确保硅基负极在高的面密度和大的电流密度下具有优异电化学性能。但是在实际应用中，电极片需要经过对辊工艺来降低电极片厚度、减少颗粒间缝隙，进而提高锂离子电池能量密度，然而对辊工艺会严重破坏电极材料的结构，导致材料性能急剧衰退。本部分工作基于上述多孔类硅基材料研发基础，构建了具有分级缓冲结构的硅基负极材料，通过对纳米硅颗粒进行有效分散和提供多重保护，预防了纳米硅在高压实极片中的暴露并缓解了硅体积膨胀引发的问题，解决了高压实下多孔类硅基负极材料性能急剧衰退的缺陷，制备的具有类西瓜结构的硅基负极材料在高温低温下都具有优异的电化学性能，对设计和开发高压实密度的负极材料具有重要的指导意义。 (2)高硅含量的硅基负极材料制备及其性能研究 在商业化石墨中加入一定量的硅类材料，构建高硅含量的硅基负极材料是最快速实现其商业化应用的技术路线之一，但是商业化石墨的比表面积较小，只能负载有限的硅类材料，当硅类材料负载量大于20％的时候，过多的硅会发生严重的团聚现象，导致电池性能急剧衰退。为了改善高硅含量硅基负极材料的电化学性能，本工作中，首先利用氧化石墨烯和质子化壳聚糖的静电相互作用，开发了一种快速的液相自组装工艺，制备具有气泡膜结构的鳞片状硅基复合材料，该工艺不仅能够提高硅基负极材料的界面稳定性，同时在分散纳米材料、提高硅基材料导电性方面具有较大优势，然后将鳞片状硅基复合材料和砂磨后的商业化石墨经球磨混合均匀，浸泡到乳化沥青的溶液中，高温煅烧后得到含30％氧化亚硅的硅基负极材料，由于沥青的粘结作用，粉碎后的这种高硅含量硅基负极材料的结构类似于商业化石墨，因此在电池测试中，采取跟石墨负极一样的工艺流程制各电池，有助于减少工艺研发时间和设备投入成本，而且该高硅含量的硅基负极材料即使在高压实密度下仍旧展现出优异的电化学性能和加工性能，为制备高硅含量的硅基负极材料提供了一种新的思路和有效的方案，促进高性能硅基负极材料的研发和产业化。 (3)高性能硅基负极材料的规模化制备研究 近期，硅基负极材料是最有可能提高锂离子电池能量密度的材料之一，电池行业亟需能够批量提供高性能硅基负极材料的单位。基于实验室前期研究基础和上述工作，在郭玉国研究员的主持下成立项目组，从实验室克级样品开始做起，历经公斤级、百公斤级和吨级产线组建，逐步克服了硅基负极材料在规模化制备过程中面临的性能、成本、批次稳定性、产率等问题，组建了百吨级产线，并配套相关研发测试，规模化生产的硅基负极材料经第三方测试，达到领先水平。 总之，本论文以实现高性能硅基负极材料的产业化为核心，聚焦于硅基负极材料在实际电池使用中面临的基础科学和应用问题，基于工业界的实际情况和产业界的基本要求，生产出能够替代目前商业化石墨的硅基负极材料，为高能量密度锂离子电池的研发做出贡献。