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开发具有高能量密度、高功率密度和长循环寿命的锂离子电池对发展便携式电子设备以及电动汽车具有重要意义。作为锂离子电池的重要组成部分，负极材料直接决定着整个电池的储锂性能。对现有的负极材料，进一步改进其结构是提高锂离子电池性能的有效途径。中间相沥青基石墨纤维具有优异的导热/导电特性，辐射状结构更利于锂离子的扩散，可以作为锂离子电池的负极材料，提高炭基负极材料的循环性能。高的导电性还可以改善导电性低的负极材料，提高其循环稳定性。 本论文主要从三个方面做了研究:(1)以中间相沥青为原料，制备出中间相沥青基石墨纤维。研究了中间相沥青基石墨纤维的微观结构。(2)以中间相沥青、各向同性沥青为原料，分别制备出中间相沥青基中空石墨纤维与各向同性沥青基中空石墨纤维，并研究了其微观结构。(3)以中间相沥青基炭纤维与各向同性沥青基炭纤维分别作为锂离子电池负极材料，考察了两类炭纤维的储锂性能。以中间相沥青基中空石墨纤维与各向同性沥青基中空石墨纤维作为锂离子电池负极材料，考察了两类沥青基石墨纤维的储锂性能。研究对比了上述两组炭基负极材料的储锂性能。利用各向同性沥青基中空石墨纤维的中空结构，来缓解硅基负极材料的体积膨胀，提高硅基负极材料的循环稳定性。本论文的主要研究内容及结果概括如下: 1.中间相沥青基石墨纤维的制备 (1)以中间相沥青为原料，制备的中间相沥青基炭纤维截面结构出现劈裂。针对劈裂问题，采用纳米改性的方法来解决劈裂问题。以纳米硅粉改性中间相沥青为原料，制备出中间相沥青基炭纤维，消除了炭纤维截面结构的劈裂缺陷。改性的炭纤维的抗拉强度为2.49 GPa，抗拉模量为138.8 GPa，伸长率为1.74％。 (2)将改性的、未改性的中间相沥青基炭纤维经石墨化处理，制得相应的石墨纤维。相对于未改性的中间相沥青基石墨纤维的微观结构，由于硅纳米颗粒的引入，改性的中间相沥青基石墨纤维的微观结构发生了改变。取向角由9.46°增大到10.59°，拉曼光谱中的R数值由0.19增大到0.25。但硅纳米颗粒起到了催化石墨化的作用，将石墨化度由58.14％增大到63.59％。硅粉的引入不仅可以解决炭纤维的劈裂问题，还可以提高炭纤维的石墨化度。 2.沥青基中空石墨纤维的微观结构分析 以中间相沥青、各向同性沥青为原料，分别制备出沥青基中空石墨纤维，研究了纤维的截面形貌及其微观结构。中间相沥青基中空石墨纤维的截面结构呈辐射状，但带有皮芯结构;各向同性沥青基中空石墨纤维的截面没有辐射状结构。在微晶参数的对比中发现，中间相沥青基中空石墨纤维具有较好的石墨结构。 3.沥青基石墨纤维作为锂离子电池负极材料的研究 (1)以中间相沥青基炭纤维、各向同性沥青基炭纤维为负极材料，考察了两种原料制备的炭基负极材料的储锂性能。在电流密度为50 mA/g时候，经过50次循环后，中间相沥青基炭纤维的可逆比容量为300mAh/g，比各向同性沥青基炭纤维的可逆比容量要高一倍。中间相沥青基炭纤维表现出相对较高的储锂容量。 (2)以各向同性沥青基中空石墨纤维、中间相沥青基中空石墨纤维作为负极材料，考察了高石墨化度的石墨纤维的储锂性能。 在电流密度为50 mA/g时候，经过50次循环后，中间相沥青基中空石墨纤维储锂的可逆比容量能达到340 mA h/g。各向同性沥青基中空石墨纤维的可逆比容量为338 mA h/g。这两类石墨纤维的储锂容量均已超过商用石墨负极材料的储锂容量。倍率性能方面，中间相沥青基石墨纤维比各向同性沥青基中空石墨纤维具有较好可逆性，更符合锂离子电池的要求。 (3)虽然各向同性沥青基中空石墨纤维的倍率性能不如中间相沥青基中空石墨纤维，但价格便宜。使用各向同性沥青基中空石墨纤维可以提高硅基负极材料的循环寿命。在200 mA/g的电流密度下经过100次充放电循环测试，最终可逆比容量为475 mA h/g，高于纯炭基负极材料的容量。 在上述负极材料的基础上，进一步包覆无定型炭层。经过无序炭材料的修饰与各向同性沥青基中空石墨纤维的协同效应，不仅提高了电极材料的结构稳定性，也提高了整个材料的导电性，这将有效地提高锂离子电池的循环性能。在50 mA/g的电流密度下经过多次充放电循环测试，该复合材料的可逆比容量依然维持在1090 mA h/g，表现出良好的循环稳定性。