锂离子电池由于具有高能量密度、高工作电压、较小的自放电和较低的维护需求等优势,成为二十一世纪应用最广泛的二次电池,已被成功应用于各种电子产品。当前,电动汽车和分布式储能行业的急剧发展要求电池具有更高能量密度、功率密度以及安全耐用。虽然超高能量密度的Li-S和Li-O₂电池的研究如火如荼,但锂离子电池仍然是近期电化学储能的主要形式。受电极材料的限制,目前商业应用的锂离子电池能量密度仍徘徊在250 Wh Kg^-1,距离期望值(高于400Wh Kg^-1)还有一段距离。锂离子电池的高能量密度主要通过寻找高比容量的负极材料来实现,目前商用锂离子电池的负极主要是各种形式的碳材料,但是碳材料的理论比容量比较低(372 mAh g^-1),限制了锂离子电池在大容量需求领域的应用。Si材料是当前已知比容量最高的锂离子电池负极材料,其理论比容量高达4200 mAh g^-1(Li_4.4Si)。Si的化学势略高于金属锂（⁰.34 V vs.Li⁺/Li）,仍高于常用电解液的最低未被占据分子轨道（LUMO）,在全电池充电过程中会在其表面形成SEI膜,但Si在发生电化学反应的过程中会产生巨大的体积膨胀,导致SEI破裂以及自身粉化而从集流体上脱落,不可逆容量急剧增加。解决的主要策略是纳米化多级结构设计。在本论文中,我们针对Si负极材料纳米化多级结构设计的成本控制开展了相关研究。通过用一维CuO纳米线还原后搭建体积膨胀缓冲空间、简单的化学方法对Si进行C材料的包覆来设计负极结构,并进行了实验验证。主要内容和结果如下:1.通过热氧化法制备出一维纳米氧化铜,研究了一维纳米氧化铜的电化学性能,在循环200次以后仍然保持着263 mAh g^-1的充放电比容量,库伦效率为99%以上,展现出较好的循环稳定性。基于这一结果,我们用一维纳米氧化铜作为支架材料,还原后为Si颗粒搭建起体积膨胀空间,通过对复合电极材料的研究发现,这种结构设计具有很好的电化学稳定性。2.将Si纳米颗粒分散在盐酸多巴胺的水溶液中,在室温弱碱条件下,多巴胺会自发地聚合在硅颗粒表面,经过热处理后得到无定形碳包覆的硅颗粒Si@C,将其用作锂离子电池负极,在100 mAh g^-1的充放电电流密度下,循环200次后,容量依然保持在836 mAh g^-1,表现出了良好的循环稳定性能。其在大倍率充放电时,仍然表现出良好的稳定性能,1600 mA g^-1时,比容量为435 mAh g^-1。得出结论:碳包覆了的硅负极材料具有更优越的循环性能和倍率性能。另外,还设计了Si@void@C结构,中空层是通过设计牺牲层SiO₂得到的,但中空层阻隔了电子和离子的传输,增大了电极材料的阻抗,由于时间关系,本论文没有深入,后续需进一步研究。