近年来,伴随着环境污染问题及电动汽车的蓬勃发展,锂离子二次电池被认为是最有发展前景的一种车用储能装置。当前,研究者都致力于改善锂离子电池的能量密度及功率密度,来满足能源需求的发展趋势。目前,商业化的锂离子电池负极材料主要是石墨及改性石墨。尽管石墨有接近锂金属电位的平台、较高的循环稳定性等优点,但是在高倍率充放电时会沉积金属锂形成“锂枝晶”,造成短路而发生爆炸。除此之外,石墨的理论容量仅为372 mAh/g,已不能满足高能量密度及高功率密度的需求,因此,研究具有高安全性、高比容量的负极材料已经成为当前锂离子电池领域研究的热点。与商业化石墨相比,硅的嵌锂平台大约高0.15V,其安全性更高；其次,硅的理论容量高达4200 mAh/g,是石墨的十多倍,是目前负极材料中,容量最高的一种材料,是锂离子电池负极材料的理想选择。然而硅基负极材料也面临着限制其应用发展的一个普遍需要解决的问题：硅在锂离子嵌入脱出的合金化与去合金化过程中会伴随着体积相变,发生大于原体积400%的体积膨胀,使得电极材料容易粉化、断裂从而脱离集流体,最终将导致容量的迅速衰减。如何改善硅基材料的循环稳定性仍是目前硅基负极材料的研究重点和难点。基于以上的研究背景,本论文的研究致力于改善硅基负极材料的电化学稳定性并探索新的高稳定性的硅基复合物的结构体系。本论文创新性的提出了硅在石墨烯上均匀生长的方法——原位生长法,以改善纳米硅颗粒在石墨烯上负载的稳定性及均匀性问题；其次,本论文还创新性的设计制备了具有三维多尺度的内部连通夹心三明治形碳/硅/碳纳米球形复合物,这种新型的结构体系同样适用于具有体积膨胀效应的其他合金类负极材料体系。基于以上研究思路,本论文的具体研究内容如下：在论文的第三章,我们主要解决了纳米硅颗粒在石墨烯上均匀分散的问题。我们将石墨烯用作碳载体,用于改善纳米硅的结构稳定性、提升整个电极的导电性,这是由于石墨烯特有的二维结构、良好的导电性,良好的机械性能、较高的化学热稳定性和较大的比表面积等优点使其十分适宜作为碳载体和导电剂。在保留石墨烯特有的二维结构优势的基础上,通过原位水解、负载和还原,我们将纳米硅均匀的生长在了石墨烯上。同时,在纳米硅颗粒的周围均匀的布满了很多纳米空间,该纳米空间为硅在充放电过程中产生的体积膨胀提供了均匀的膨胀空间,这种各向的协同作用及石墨烯特有的缓冲体积膨胀的作用最终使得该复合物结构稳定性大大提高。除此之外,石墨烯优异的电子导电率使得整个电极在大电流充放电下仍然具有很高的容量。和目前常用的与石墨烯的负载方法,如超声波分散法、静电吸引自组装法、高能量球磨法及喷雾干燥法相比,这种原位生长法更简单,得到的复合物分散性更好,更适合纳米结构硅的均匀分散,而且不会发生团聚,此方法同样适用于其他纳米材料在石墨烯上的均匀分散。在前一章的工作中,硅/石墨烯复合物保持了石墨烯特有的二维结构,因此,可以充分发挥石墨烯缓冲体积膨胀的功能,但是,复合材料中的纳米硅由于结构单一,对复合材料电化学性能的改善是有限的,因而,寻求构建新型结构仍然是完善硅-碳复合物性能的发展途径之一。具有三维结构的微纳米多尺度电极材料不仅便于锂离子传输,而且较薄的孔壁有利于锂离子的扩散,因此具有更大的容量和更好的倍率性能。本论文的第四章,将模板法引入到合成工艺之中,设计合成了具有三维结构的硅-碳复合物。该结构不仅能利用微米级的均匀性优点,达到后续的均匀碳包覆,提升导电性；而且还能利用纳米级减小体积变化,并能缩短锂离子的传输路径的优点。而且,这种三维结构是内部连通夹心三明治形,纳米硅处在碳的夹层中,因此碳在这种连通的球形结构中像一张巨大的导电网格一样将电极连通起来,其导电性显而易见。除此之外,此研究方法创新性的将二氧化硅留在主体中,不仅能作为一种惰性介质缓冲硅充放电过程中的体积膨胀,还能起到结构支撑的作用,为碳包覆提供良好的骨架结构,最终改善电极的循环稳定性。这种出色的稳定性与三维多尺度结构是密不可分的,这种设计方法同样适用于其他具有体积膨胀的合金类负极材料。