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自从锂离子电池(LIBs)商业化以来已渐渐成为我们生活中必不可少的一部分,如便携式电子产品、电动交通工具、储能设备等。然而尽管传统的LIBs有许多优势,但其现有的能量密度等依然难以满足电动汽车对高能量密度与长循环稳定性的需求。为了解决这个问题,科研工作者研究开发了不同种类的高比容量的电极材料,包括锂合金类材料、锂转换反应类材料等。相比于传统的石墨负极材料,硅材料有极高的理论比容量(4200 mAh/g),是石墨容量的十倍以上,被认为是LIBs负极材料中最有前景的候选者。然而硅在锂化/脱锂的过程中体积会发生大的变化(>400%),引起颗粒粉化,与导电剂或集流体失去电接触,甚至从集流体上脱落,也会使固相电解质层(SEI)膜重复不断的形成与破裂,导致电解液的持续消耗,电极阻抗增大,容量迅速衰减。为了缓解上述提到的问题,研究者设计了不同种类的硅结构如颗粒纳米化、多孔化以及与其它材料复合等。本文基于国内外硅负极材料的研究进展,通过简单的碳修饰与纳米硅多孔化两种改性思路来提升硅负极材料的综合电化学性能。本文的第一部分工作从双碳修饰的结构出发,首先在硅表面通过低温碳化形成包覆层,再经聚合物凝胶后高温碳化形成具有高机械强度的复合结构,从而缓解硅的体积膨胀并改善了其导电性差的弊端;第二部分工作则主要是制备多孔硅结构并与碳复合。其中多孔结构不仅可以缓冲硅的体积膨胀,而碳层网络结构的存在则有助于改善硅材料的电导率,也可以避免SEI膜在硅表面的反复形成。具体的实验结果如下:(1)通过采用简单的混合以及分步碳化制备了双碳结构修饰的Si/C复合材料。其相比于简单碳修饰的Si/C材料以及单质硅电极材料,显示出更加优异的电化学性能。电化学性能测试表明,在200 mA/g的电流密度下,双碳结构修饰的材料经150次循环后可逆容量为681 mAh/g,容量保持率为82%(相对于第二次循环)。而单碳修饰的材料的比容量在150次循环后为613 mAh/g,单质硅材料则循环衰减更严重。结合双碳结构复合材料的形貌及其它表征分析表明,双碳结构协同作用高效的缓冲了硅体积的膨胀,维持了电极结构的稳定性。(2)通过高温扩散掺杂与金属辅助化学刻蚀制备了多孔硅材料,再将其嵌入到三维碳结构中得多孔Si/C复合材料。相比于未经碳修饰的多孔硅,该复合材料显示了良好的电化学性能。其在200 mA/g的电流密度下,50次循环后容量稳定在954 mAh/g,容量保持率达86.4%(相对于第二次循环),在保证高比容量的同时展现出比Si/C(PAN)材料更好的循环稳定性,这得益于多孔结构对硅体积膨胀良好的缓冲效果,稳定了电极结构。