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高性能、高能量密度锂离子电池的研发是促进电动汽车、便携式移动电子设备等行业升级与发展的关键。目前主流的锂离子电池石墨负极已接近其理论比容量(372 mAh g-1)。硅因具有高达4200 mAh g-1的理论比容量、相对较低的放电电压平台(对锂电位约0.4V)、以及无毒和丰富的储量等优点,是最具前景的下一代锂离子电池负极材料。但是,硅材料因脱/嵌锂过程中体积变化巨大、本征电导率低,使其存在比容量衰减快、循环寿命短、质量负载低、电池整体能量密度低等问题,阻碍硅负极的实际应用。本文设计制备了新型嵌段聚合物,聚丙烯酸-聚苯乙烯-聚丙烯酸甲酯-聚苯乙烯(P(AA-b-St-b-MA-b-St),ASMAS),用作硅基负极粘结剂,提高硅负极循环稳定性并改善锂离子的传导。以金属纳米线为导电添加剂改善电极电子传导,采用逐层喷涂工艺构建分层导电结构,实现高负载、高容量、大倍率硅负极的制备。本论文主要研究内容及成果如下:(1)通过可逆加成断裂链转移(RAFT)乳液聚合可控制备了可形成微相分离结构的四嵌段共聚物ASMAS,将其用作纳米硅负极粘结剂。ASMAS粘结剂的聚苯乙烯(PS)嵌段是聚合物的物理交联点,形成交联网络保持聚合物结构的稳定,聚丙烯酸(PAA)嵌段上的羧基能够与纳米硅颗粒表面的硅羟基发生酯化反应,通过共价键“抓住”硅纳米硅颗粒,使其在经受巨大体积变化后仍与导电网络保持接触,确保电子在电极内部的稳定传输。ASMAS中的第三嵌段聚丙烯酸甲酯(PMA)中含有酯键能溶胀电解液,有利于在电极内部形成完整的锂离子运输通道,降低锂离子传递阻抗,提高锂离子传导速率,且溶胀电解液后的PMA嵌段拥有良好的弹性,可缓解硅的体积变化对电极结构的破坏,保证锂离子高效传输的同时拥有稳定的电极结构。研究结果表明,在较低质量负载(0.7 mg cm-2)下,添加7.5 wt%上述ASMAS粘结剂的纳米硅负极初始比容量为4140 mAh g-1,100圈循环后,比容量保留值为2200 mAh g-1,600圈循环后,仍有1070mAh g-1的可逆比容量。同时,含ASMAS的电池倍率性能较不添加ASMAS的电池有显著提高,在电流密度1 C(4200 mA g-1)下,倍率容量从1620 mAhg-1提高至2750 mAh g-1。(2)通过添加银纳米线(AgNWs),与导电碳黑(Super P)共同构建完整的导电网络,以提高电极内部纵深方向的电子传导速率。同时,采用分层喷涂工艺,设计并成功制备具有分层导电网络结构的复合纳米硅负极。这一设计可将高负载硅负极内部结构分层,获得由多层低负载硅负极和导电AgNWs层堆叠的复合纳米硅负极,实现电子在高负载硅负极内部纵向的快速传导。结果表明,拥有该分层导电结构且负载为1.69mgcm-2的硅负极,在2.0 C(8400mA g-1)电流密度下的倍率容量为1146 mAh g-1,这是目前报道的硅负极研究结果中最好倍率性能。同时,基于ASMAS粘结剂和含AgNWs的分层导电结构,成功制备得到了负载为5.31 mg cm-2的高负载、高性能纳米硅负极。100圈循环过后,该负极的可逆比容量为1609mAhg-1,面积容量为8.49mAhcm-2,是目前报道的硅基负极研究中最高面积容量。在1.0 C(4200mAg-1)的电流密度下,倍率容量为2050mAh g-1。对该高负载进行限制容量测试,200圈循环过程中,容量值一直保持在限定值1200 mAh g-1,平均库伦效率高达99.29%。结合模拟计算,采用该高负载复合硅负极的电池能量密度可达400 Wh kg-1。(3)以ASMAS为粘结剂,采用价格更为低廉,并拥有高电导率的铜纳米线(CuNWs)作为导电添加剂,制备得到具有工业应用前景的高性能SiO/C硅基负极。当SiO/C负极负载为10.26 mg cm-2时,该SiO/C电极在200圈循环后,比容量保留值为606 mAh g-1。在1.0 C(1255 mAg-1)倍率下,可逆容量为620 mAh g-1,是目前报道的有关SiO/C负极研究的最佳性能之一。