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随着市场对锂离子电池能量密度要求的不断提高,目前商业化的石墨负极很难满足其需求。因此,研发高比容量的负极材料十分迫切。硅和锂金属负极由于其超高的理论比容量,引起了人们的广泛关注,被有望用于未来高容量的动力锂离子电池。然而,它们在循环过程中,体积膨胀都较大,使得SEI膜不稳定。此外,锂金属负极还有枝晶的生长问题。本文利用了碳材料对二者进行改性,设计了不同纳米结构的材料,使得电化学性能得到了有效地提升。主要研究内容如下:1.通过简单的自组装方法,制备了低含量硅(5 wt%)的Si/石墨/石墨烯复合材料。首先将硅纳米颗粒与商业化石墨球磨,得到Si/G复合材料。然后分散在石墨烯溶液中,通过还原剂的加入,石墨烯片自组装成三维框架结构,将Si/G材料包裹在其中。由于材料中硅含量较低,三维石墨烯和石墨有效维持了电极结构的稳定,增强了导电性,与石墨和Si/G材料相比,Si/G/GF-5(Si:5 wt%)电极在实现比容量提升的同时,能够进行稳定的循环。在372 mA/g下,可逆容量有548 mA h/g,循环100圈后,容量保持了90%,即使在2232 mA/g下,可逆容量仍有310 mA h/g。2.通过模板法,制备了金属有机框架(ZIF-8)修饰的三维碳布复合材料(HZS@CC)。首先在碳布上制备一层聚苯乙烯模板,然后在表面生长一层ZIF-8材料,最后移除模板,得到ZIF-8空心球修饰的碳布。ZIF-8能够诱导锂金属的沉积,降低成核过电位。同时,碳布能够起到宿主材料的作用,缓解电极的体积变化,维持表面SEI膜的稳定。由于二者的协同效应,相比于碳布和铜箔,该材料的展示了更长的循环时间。在1 mA h/cm2,1mA/cm2的条件下,对称电池能够稳定循环700小时,循环后的电极表面光滑,没有任何锂枝晶的生成。此外,在6 mA h/cm2,2 mA/cm2的条件下,循环200圈后,库伦效率仍达99%。