硅材料具有其它负极材料所无法比拟的理论比容量值,在达到相同容量的情况下,可以实现电极体积和重量的小型化。但由于硅本身严重的体积膨胀效应造成容量的快速衰减,使得传统结构硅材料难以应用于实用化锂离子电池。为了克服硅本身的体积膨胀,并且实现锂离子电池小型化的目的,本文以硅微通道板(Si-MCP)三维结构为出发点,在三维锂离子微电池方面开展了一系列创新性探索及研究。1.本文以三维结构的Si-MCP代替传统块状硅作为锂离子电池负极,以25mA g-1的电流在0.05V-1.5V电位范围内获得3520mAh g-1的初始充电比容量和2659mAh g-1的放电比容量。经过30个循环后,该电极的可逆比容量均下降到300mAh g-1。与传统块状硅电极(如10个循环后,可逆比容量已低于200mAh g-1)相比,Si-MCP电极的不可逆容量损失有所降低,循环性能也得到一定程度的提高。2.虽然与传统块状硅电极相比,Si-MCP电极的可逆比容量有所增加,但电极的衰减现象仍然比较明显。并且由于Si材料本身较差的导电性,使得该电极的充放电曲线毛刺现象较为严重。为了改善Si-MCP的导电性、提高电极的电化学性能,我们尝试通过对Si-MCP进行B元素重掺杂的方式改善电极的导电性。通过恒流充放电测试发现,在充放电循环初期,经过B元素重掺杂的Si-MCP电极的充放电比容量略低于未经处理的Si-MCP电极。但经过B元素重掺杂的Si-MCP电极在经历25个循环后仍能保持500mAh g-1以上的比容量,但未经处理的Si-MCP电极却只能坚持6个循环。并且通过循环伏安曲线的分析发现,经过B元素重掺杂的Si-MCP电极氧化还原响应电流密度也有较大幅度的提高。因此,重掺杂B虽然使得电极初期比容量的性能有所下降,但是电极的循环性能却得到提高。3.经过重掺杂B处理的Si-MCP电极,虽然电极的电阻值已经接近于良导体,但是循环性能却仍不能达到满意的效果。为此,我们利用化学镀镍的方法,成功地在硅微通道基底上制备出适用于锂离子电池的Ni/Si-MCP电极。对用相同参数对Ni/Si-MCP电极进行恒流充放电测试发现,在首个循环中,其初始充电比容量为3016mAh g-1,放电比容量却可接近2890mAh g-1,其库仑效率可达到95.8%之高。即使在第二个循环中,其库仑效率也在97%以上。直到第19个循环,其比容量仍可达到1000mAh g-1以上。与前两种电极相比,Ni/Si-MCP电极无论是可逆容量数值还是循环性能都得到了相当大的提升。为了探究Ni覆盖层在Ni/Si-MCP电极中的作用,我们引入了循环伏安法和交流阻抗的测试。通过两种电极的循环伏安曲线的对比分析发现：Ni覆盖层并不与锂离子发生明显的氧化还原反应,但是Ni/Si-MCP电极的电流密度要远远高于Si-MCP电极。通过进一步的交流阻抗分析发现：Ni覆盖层的引入可以极大的提高电荷传输能力,降低反应界面锂离子电化学反应的阻力。并且通过交流阻抗数值进行电路匹配发现,Ni层的引入还可能对固体电解质膜(SEI)的稳定有着积极的作用。4.为了进一步提升Ni/Si-MCP电极的循环性能,并且提高电极的充放电倍率性能,我们对电极的嵌脱锂的深度进行控制。当电极的嵌锂/脱锂深度被限制在1000mAh g-1时,以100mA g-1的电流密度对电极进行充放电,发现经过80个循环Ni/Si-MCP电极仍然可以达到1000mAh g-1的比容量。经过105个循环,Ni/Si-MCP电极仍然可以达到500mAh g-1的比容量。循环性能和充电倍率性能均得到极大的提升。为了探索电极性能提高的原因,我们将电极的嵌锂／脱锂深度进行进一步的限定,将其限制在500mAh g-1以内,但是电极的循环性能却没有得到进一步的提高。为此,我们对经过不同循环的电池进行了无损拆解,通过电子扫描显微镜(SEM)和能谱散射仪(EDS)的方法,将经过嵌锂的电极与未经过充放电的电极进行比较,发现在充放电过程中Ni覆盖层的损坏可能是造成电极容量衰减的一个重要原因。5.为了能够进一步提升整个电极的比容量值,我们利用无电镀银方法成功制备出了覆银硅微通道板(Ag/Si-MCP)负极结构。与Ni覆盖层相比,Ag覆盖层不仅具有良好的导电性,而且Ag本身可以与锂形成合金,从而实现导电层与活性层的统一通过对Ag/Si-MCP电极在0.02V-1.5V电位(vs. Li+/Li)范围内以10mA g-1电流密度进行恒流充放电测试发现,该电极在首次充电过程中获得高达3484.7mAhg-1的比容量值,且在首次充放电循环中库仑效率达到95.97%。并且与其它电极相比,该电极的放电平台相当稳定。在经过10个循环后, Ag/Si-MCP电极的可逆比容量仍然下降到1000mAh g-1以下,造成这种现象的原因可能与Ag覆盖层从电极的脱落有关。与此相比,Ni/Si-MCP电极在循环性能上具有更加出色的表现。6.利用溶胶-凝胶的方法以PVDF-HFP材料制备出锂离子电池用电解质隔膜,并在Si-MCP的基础上实现电极、隔膜一体化探索,并成功制备出覆PVDF-HFP隔膜的Ni/Si-MCP电极。并对覆PVDF-HFP隔膜的Ni/Si-MCP电极进行了恒流充放电测试,结果发现该电极首次充电容量可达到124.7mAh g-1。无论在加工制备难度上,还是首次嵌锂容量上,该电极均超越以往公布的硅微通道板基三维锂离子微电池的数据,这在实现三维锂离子全电池的探索的道路上迈进了一大步。