锂离子电池由于具有能量密度大、工作电压高、循环寿命长、对环境污染小等优点,已成为最为重要的二次电池,不仅适用于移动通讯、笔记本电脑等便携式电子设备,也是新能源储能和电动汽车电源的理想选择。因此,研发具有高能量密度、高功率密度、高安全性的锂离子电池成为能源材料与器件研究领域的热点之一。目前,商业化锂离子电池的石墨负极容量较低,理论比容量仅为372mAh/g,限制了电池性能的进一步突破。开发具有高容量的负极材料成为关键。在室温下,硅与锂可以形成Li15Si4合金,其容量高达3579mAh/g,被认为是最有潜力的大容量锂离子电池的负极材料。但是,Si材料在脱嵌锂过程中,伴随着大约300%的体积膨胀,会导致电极粉末化且容量迅速衰减。本论文以抑制Si材料电极粉末化、提高Si材料电极的循环稳定性和大倍率充放电特性为目标,以制备Si/C复合材料为突破口,开展了材料的纳米结构优化设计、材料的廉价制备方法探索、材料的结构、形貌和性能表征等几方面的研究。主要研究内容和研究结果如下：1.用燃烧蓖麻油法制备出具有类富勒烯结构的碳纳米颗粒,研究了碳纳米颗粒石墨化程度对其储锂性能的影响。所制备的类富勒烯结构碳纳米颗粒电极的首次充、放电容量分别达到611和1148mAh/g。循环100次之后,放电容量保持在471mAh/g,高于石墨的理论容量。将碳纳米颗粒与聚乙烯吡咯烷酮混合,利用静电纺丝结合热退火制备了直径约为200nm的碳纳米纤维,作为锂离子电池电极材料,其首次库伦效率高于碳颗粒,且具有良好的循环稳定性。2.利用静电纺丝和等离子体增强化学气相沉积技术,制备了具有网络结构的C/Si核壳纳米纤维。所得纤维不需要添加粘结剂和导电剂可直接作为锂离子电池负极材料。实验发现,C/Si核壳结构大大提高了Si薄膜的电化学性能,并具有良好的重复性。在100mA/g的电流密度下,循环50次后容量为1164mAh/g,容量保持率为70%。发现C/Si核壳纳米纤维之所以具有良好的循环稳定性与其特殊的结构形貌有关,内核碳有效缓解了Si壳层膨胀时所产生的应力。3.利用电子束蒸发在C/Si核壳纳米纤维表面沉积了厚度仅为5nm的金属Ti层。实验发现,虽然金属Ti包覆对纤维的形貌及结构几乎没有影响,但却不仅提高了电极的容量和循环性能,而且大幅改善了电极的倍率性能。所获得的C/Si/Ti多层纤维电极在电流密度为400mA/g时,首次放电容量达到2499mAh/g,首次库伦效率为80.9%。经过50次循环后,可逆容量为1542mAh/g。即使在3.2A/g的大电流下循环,容量依然在1000mAh/g以上。这是因为具有良好导电性和良好机械拉伸性能的Ti包覆层一方面提高了电极中电子的输运能力,另一方面缓解了Si材料体积膨胀所引起的应力。4.利用单针头静电纺丝法并结合热处理制备出含有Si纳米颗粒和类富勒烯碳颗粒的复合纳米纤维,发现Si颗粒与C颗粒相互连接在一起组成多孔纤维结构,Si颗粒被C颗粒所围绕。C颗粒能够有效缓解Si颗粒体积膨胀引起的应力变化,抑制电极破裂和粉末化。电化学测试结果表明,Si/C纳米纤维具有较高的首次库伦效率,循环性能优于纯Si纳米颗粒。