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锂离子电池所具备的诸多优点使其未来在电动交通工具、航空航天、军事等领域都有着广阔的发展前景，但对锂离子电池本身的性能要求也将越来越高。硅作为未来最具潜力的新一代高性能锂离子电池负极材料候选之一，虽然优点众多，但要克服其在嵌脱锂过程中巨大的体积变化以及本征导电性差等问题，也逐渐向材料纳米化、复合化方向发展。本论文以硅纳米颗粒为基体，利用自组装的方式引入碳源进行碳包覆，以简单的合成工艺制备出一种核壳型结构的硅/碳纳米复合负极材料，并对其进行氮掺杂改性，最后将性能最佳的负极材料与锂离子电池常用的正极材料匹配成全电池，研究材料在电池实际应用中的影响和价值。
首先，在复合材料的合成制备过程中，研究作为碳源的酚醛树脂的用量配比以及硅纳米颗粒粒径对材料的影响。结果表明，以商业纳米硅粉为原料，采用溶剂蒸发诱导的自组装法包覆上酚醛树脂，经过碳化热处理后得到的硅/碳纳米复合负极材料具有较好的核壳结构。当所选纳米硅粉的粒径为100nm，且与酚醛树脂的质量比为4:1时，所得复合材料的硅含量约为86.3%，由它制成的电极具有最优的电化学性能，在C/3的倍率下循环50圈，可得到1107.5mAhg-1的可逆比容量，而经过200圈的长周期循环后其比容量仍有近1000mAhg-1。此外，电极的倍率性能也较好，经过2C的高倍率充放电后，在C/10下放电比容量可恢复到1513mAhg-1。
为了进一步提高电极材料的导电性和倍率性能，对硅/碳纳米复合负极材料进行氮掺杂改性，研究热处理时采用直接氨化的一步法和先碳化后氨化的两步法在不同氨化温度下对材料的影响。研究发现，两种方法均可以实现对复合材料进行氮掺杂改性的目的。一步法中氮掺杂程度随氨化温度的升高而增加，但所得氮掺杂复合材料电极的循环性能不如只经过碳化热处理的材料所制得的电极，其中，在500℃的氨化温度下制得的电极材料性能最优，在C/3的倍率下经过100圈充放电循环后其可逆比容量有将近900mAhg-1。倍率性能方面，850℃下氨化所得复合材料电极在2C的高倍率下有535.7mAhg-1的放电比容量，但只经过碳化热处理的电极材料仍然拥有最优的容量恢复性。两步法中由于材料先经过碳化热处理，因此第二步氨化时氨化温度的改变对材料的物理和电化学特性影响较小。所得氮掺杂复合材料电极的循环性能和倍率性能均不如只经过碳化热处理的材料所制得的电极，其在C/3的倍率下经过100圈充放电循环后的可逆比容量只有约850mAhg-1，而在经过2C的高倍率充放电后，在C/10下放电比容量只恢复到1257.8mAhg-1。
结合上述实验结果，选取性能最佳的负极材料，将其与正极材料镍钴铝酸锂(NCA)相匹配，研究硅/碳负极和NCA正极的匹配问题以及全电池的一些电化学特性。结果表明，将负极与涂覆厚度为100μm、活性物质负载量约为3.5mgcm-2的NCA正极匹配得到的全电池性能最优，在C/3的倍率下循环100圈，可得到145.2mAhg-1的可逆比容量，容量保持率高达98.3%。匹配良好的全电池具有优异的循环稳定性和倍率性能，在经过200圈循环后仍有137.7mAhg-1的可逆比容量，容量保持率高达93.2%，相对于正极活性物质质量的能量密度高达484.2Whkg-1，优于作为对比的石墨负极全电池。在2C的高倍率下，其放电比容量仍有115.3mAhg-1，且当倍率回到C/10时，其比容量能够恢复至157.2mAhg-1，可以满足一定条件下高倍率充放电的需求。
首先，在复合材料的合成制备过程中，研究作为碳源的酚醛树脂的用量配比以及硅纳米颗粒粒径对材料的影响。结果表明，以商业纳米硅粉为原料，采用溶剂蒸发诱导的自组装法包覆上酚醛树脂，经过碳化热处理后得到的硅/碳纳米复合负极材料具有较好的核壳结构。当所选纳米硅粉的粒径为100nm，且与酚醛树脂的质量比为4:1时，所得复合材料的硅含量约为86.3%，由它制成的电极具有最优的电化学性能，在C/3的倍率下循环50圈，可得到1107.5mAhg-1的可逆比容量，而经过200圈的长周期循环后其比容量仍有近1000mAhg-1。此外，电极的倍率性能也较好，经过2C的高倍率充放电后，在C/10下放电比容量可恢复到1513mAhg-1。
为了进一步提高电极材料的导电性和倍率性能，对硅/碳纳米复合负极材料进行氮掺杂改性，研究热处理时采用直接氨化的一步法和先碳化后氨化的两步法在不同氨化温度下对材料的影响。研究发现，两种方法均可以实现对复合材料进行氮掺杂改性的目的。一步法中氮掺杂程度随氨化温度的升高而增加，但所得氮掺杂复合材料电极的循环性能不如只经过碳化热处理的材料所制得的电极，其中，在500℃的氨化温度下制得的电极材料性能最优，在C/3的倍率下经过100圈充放电循环后其可逆比容量有将近900mAhg-1。倍率性能方面，850℃下氨化所得复合材料电极在2C的高倍率下有535.7mAhg-1的放电比容量，但只经过碳化热处理的电极材料仍然拥有最优的容量恢复性。两步法中由于材料先经过碳化热处理，因此第二步氨化时氨化温度的改变对材料的物理和电化学特性影响较小。所得氮掺杂复合材料电极的循环性能和倍率性能均不如只经过碳化热处理的材料所制得的电极，其在C/3的倍率下经过100圈充放电循环后的可逆比容量只有约850mAhg-1，而在经过2C的高倍率充放电后，在C/10下放电比容量只恢复到1257.8mAhg-1。
结合上述实验结果，选取性能最佳的负极材料，将其与正极材料镍钴铝酸锂(NCA)相匹配，研究硅/碳负极和NCA正极的匹配问题以及全电池的一些电化学特性。结果表明，将负极与涂覆厚度为100μm、活性物质负载量约为3.5mgcm-2的NCA正极匹配得到的全电池性能最优，在C/3的倍率下循环100圈，可得到145.2mAhg-1的可逆比容量，容量保持率高达98.3%。匹配良好的全电池具有优异的循环稳定性和倍率性能，在经过200圈循环后仍有137.7mAhg-1的可逆比容量，容量保持率高达93.2%，相对于正极活性物质质量的能量密度高达484.2Whkg-1，优于作为对比的石墨负极全电池。在2C的高倍率下，其放电比容量仍有115.3mAhg-1，且当倍率回到C/10时，其比容量能够恢复至157.2mAhg-1，可以满足一定条件下高倍率充放电的需求。