相对于传统的铅酸电池、镍氢电池等二次电池,锂离子二次电池因比能量高、循环寿命长、自放电比率低、无记忆效应等诸多优点,被广泛应用于智能电子设备以及电动汽车等领域。但随着社会的发展,人们对智能电子设备的轻薄性与电动汽车的续航性能有了更高的要求,传统锂离子电池已经难以满足社会的需求,高比能锂离子电池急需要发展。高比能电池的发展需要锂离子电池技术的革新,这涉及到正负电极材料、电解液以及隔膜技术的创新。其中,电极材料尤其重要。正负极材料的工作电压以及比容量决定了电池的能量密度。硅因其超低的工作电压以及超高的比容量,使得以硅基材料为负极的锂离子电池具有较高的能量密度。此外,硅元素在地球上储量丰富,提纯制备方便,具有大规模应用的可能性。但是硅负极也存在着致命的缺点。首先,硅作为一种半导体材料,其导电性差,导致其充放电倍率较差。其次,硅材料在充放电过程中存在着约300%的体积变化,严重的体积变化会造成固体电解质薄膜的破损,随着循环的不断进行,固体电解质薄膜不断增厚,锂离子难以扩散进入,造成了活性物质的失活。再次,硅的超大体积变化,会造成电极的粉化,电池容量的快速降低。目前,解决硅负极的主要方案是硅的纳米化与复合化的相互结合。纳米化主要是通过球磨等技术手段,制备纳米级的硅负极材料。复合化主要是通过硅负极与其他材料的相互结合,实现硅负极性能的提升。石墨烯因其具有优良的导电性、热导性以及环境稳定性,已经成为提升硅负极性能的首选复合材料之一。因此,本文以石墨烯与纳米硅的复合概念为基础,通过一系列的结构设计,实现了具有纳米结构的微米级石墨烯/硅复合负极。通过对铝硅合金的去合金化,实现了纳米多孔微米级硅的制备,通过化学气相沉积的手段实现对硅的双层包覆;通过原位包覆手段,实现了对微米铝硅合金球的包覆,并通过去合金化,实现了核壳结构的纳米多孔微米硅/石墨烯的制备。具体的研究内容如下:通过对铝硅合金的去合金化,制备出纳米多孔微米级的硅球,通过在化学气相沉积过程中引入氧化性气体,在硅表面形成纳米级的氧化层,催化甲烷裂解形成石墨烯,从而实现硅的双层包覆。石墨烯可以为复合电极材料提供良好的导电通道,氧化层有效缓冲体积膨胀,通过双层包覆的协同作用,稳定了硅的循环,避免了硅与电解液的直接接触,从而实现了优良的倍率性能与循环性能。通过将微米级的铝硅合金置于氧化石墨烯水溶液中,铝会对氧化石墨烯进行还原,还原氧化石墨烯会贴附到微米球的表面,从而形成微米合金球/还原氧化石墨烯的核壳结构,进一步进行去合金化处理,形成纳米多孔微米硅/还原氧化石墨烯的核壳结构。该多孔结构可以缓冲硅的体积膨胀,防止电极粉化,表面的还原氧化石墨烯可以部分阻止硅与电解液的直接接触,并提高复合材料的导电性。