锂离子电池已广泛应用于便携式电子设备,电动汽车以及储能领域,但受制于常规正负极活性物质的比容量,目前商业化的锂离子电池很难满足更高能量密度的需求。根据中国汽车动力电池发展路线的规划要求,至2015年动力电池模块的能量密度达到150Wh/kg(单体在170~190Wh/kg),目前已经达到要求;至2020年动力电池模块的能量密度达到250Wh/kg(单体在300Wh/kg以上),以现有的材料体系已经无法满足未来发展的需求,所以必须要发展高能量密度的电极材料。硅的理论比容量高达4200mAh/g,是传统石墨负极的十倍多(石墨的理论比容量为372mAh/g),其应用可以大幅地提高锂离子电池的能量密度,因此,硅被认为有望成为下一代锂离子电池大容量负极材料。然而,硅负极颗粒在充放电过程中,其体积变化率超过300%,导致活性物质结构粉化、脱离集流体而失去活性,以及不稳定固体电解质界面膜(Solid Electrolyte Interface,简称SEI膜)的产生,使得硅基负极材料的库伦效率低、循环性能较差,影响其在全电池中的使用。本文对锂离子电池的结构与组成、工作原理以及所用负极材料的进展进行概述,通过对比微米硅、硅碳复合、硅铁合金、硅氧合金四种不同类型的硅基负极材料的结构和电化学性能,得到硅氧合金材料中的SiOx可以有效抑制硅颗粒的体积膨胀,循环性能较好(半电池中0.2C倍率下循环20次后容量保持率>70%),嵌锂容量较高(首次嵌锂容量可达1600mAh/g以上),是比较有希望商业化应用的材料。针对硅氧合金材料的首次效率低、导电性能差的问题,以Si/SiOx为研究对象,采用包覆无定形碳的方式对其进行表面改性,得到的Si/SiOx/C的首次库伦效率提高了10%,循环容量保持率提高了11%。为进一步提高Si/SiOx/C材料的导电性,通过研究Super P、CNTs、Graphene三种单一导电剂和Super P+CNTs、Super P+CNTs+Graphene两种复合导电剂的导电网络结构对Si/SiOx/C材料的导电性能和电化学性能的影响,得出综合性能最好是SP+CNTs复合导电剂,它具有三维立体导电网络结构,Si/SiOx/C电极的体电阻率较小,倍率性能最优、循环性能最佳(半电池中0.5C倍率下循环20次后容量保持率>55%)。为改善Si/SiOx/C与导电剂、集流体之间的粘结性能,研究常规SBR/CMC常规粘结剂体系和PAALi新型粘结剂对Si/SiOx/C极片的性能影响,在使用Si/SiOx/C/石墨复合材料的聚合物锂离子电池(型号为418281)中进行对比,得出新型PAALi粘结剂能提升极片的剥离强度,降低电池的内阻、提高电池的倍率、循环、高低温性能等。通过对硅基负极材料的改性、所用导电剂和粘结剂的优化,最终开发出能量密度高达737Wh/L,循环300次后容量保持率为80%,满足锂离子电池商业化应用的基本要求,推进硅基负极材料在高能量密度锂离子电池中的应用。