硅负极材料因其高比容量,合适的脱嵌锂电位以及丰富的来源被广泛认为是能够替代石墨负极的下一代锂离子电池负极材料。然而硅在脱嵌锂时固有的体积变化与不稳定的表界面反应极大的限制了其商业化应用。经过多年的发展,硅基负极的实用化解决方案可分为三个主流方向,分别是纳米硅碳复合材料,氧化亚硅碳复合材料以及无定型硅合金。其中硅碳和氧化亚硅碳复合材料已经得到小范围的应用,但在首效,循环等方面还有较大提升空间。本论文针对硅负极的相关问题做了以下三方面的工作:(1)硅尺寸对硅碳复合材料的影响研究,主要针对含有不同大小硅颗粒的材料的开裂与循环衰减进行分析;(2)氧化亚硅碳复合材料的结构演变,主要包括氧化亚硅碳复合材料的开裂,衰减,结构变化以及不同热处理温度下的微米氧化亚硅与纳米氧化亚硅材料的结构变化;(3)高容量碳硅复合材料的研究,主要涉及实用化硅碳复合和氧化亚硅碳复合材料的设计,开发,改性,以及吨级中试生产线的建设。选用30nm、100nm、500nm以及3μm的硅材料与碳前驱体混合热处理后得到四种复合材料。研究了硅的尺寸对复合材料性能的影响。尺寸较小的纯硅负极与硅碳负极都表现出更好的循环性能。结合FIB与SEM探究了复合材料的裂纹演变与失效过程。最后对硅碳材料的倍率性能与衰减机理开展进一步分析。选用3μm的氧化亚硅材料同上制备了简单的模型材料,研究其内部的裂纹演变以及氧化亚硅在循环过程中的结构变化。实验证明氧化亚硅的结构在脱嵌锂过程中并不稳定。通过X射线配对分布函数对不同温度处理的微米氧化亚硅材料的结构变化开展了进一步分析。制备了30-50nm的类球形纳米氧化亚硅,对其在不同温度处理后的的结构特征与嵌锂过程开展研究。基于对硅负极材料的研究和理解,设计,开发了一系列实用化的硅基负极材料,并在其基础上进行进一步改性。400-450mAh/g的硅基负极材料在全电池中循环最高达500周90%。在江苏溧阳搭建了年产2000吨的硅基负极材料产线。