二氧化硅气凝胶是由粒径很小的超细颗粒聚结构成的具备三维网状分子结构的新型材料,其显示出比表面积大、孔洞大等特性,SiO₂气凝胶备受研究者的关切,其在保温隔热材料、催化剂和催化剂载体、集成电路、热绝缘载体、探测器等材料方面已经得到广泛的应用。但气凝胶纳米材料在锂离子二次电池负极材料领域中的应用极具潜力,目前还未获得大量关注。本论文主要目的是利用溶胶-凝胶法制备纳米二氧化硅气凝胶材料,然后将其作为负极材料应用于锂离子电池中,探究其在锂离子电池中的电化学性能,并对其进行表面包覆和深度还原改性,对材料进行了系统的研究。论文的具体研究内容如下:1.通过溶胶-凝胶法和常压干燥法制备了具有纳米结构的二氧化硅气凝胶材料,其颗粒大小为50¹50 nm左右,球形颗粒通过排列形成网状的具有空隙的的纳米材料。组成纳米颗粒的球体表面比较光滑且结构完整,粒径大小分布比较集中。考虑到凝胶形成的动力学因素,合成过程中溶液体系的pH对凝胶的形貌和特性会产生明显的影响作用,通过设置不同的酸度值,对比实验发现当溶液pH=3.2时制备的二氧化硅气凝胶性能最优。将二氧化硅气凝胶作为负极材料应用于锂离子电池,在0.1 C电流密度下恒流充放电测试得知,第2、3、5、10、100、500次的放电比容量依次为401、398、394、383、338、310 mAh·g-1,充放电效率依次为95.0%、95.7%、97.7%、97.7%、98.2%、98.1%,显示出优异的充放电效率。对二氧化硅气凝胶进行循环性能测试发现,材料第2次充放电比容量分别为422 mAh·g-1和401 mAh·g-1,其库伦效率为95.0%,活性材料循环499次后,充放电比容量分别保持在316 m Ah·g-1和311 m Ah·g-1,其库伦效率高达98.4%,在循环过程中,电池的充放电容量保持率依次为74.9%、77.6%,电池的库伦效率保持在95%¹00%之间,说明该材料库伦效率极好,显示出优异的充放电可逆性。除此之外,该材料具备很好的倍率性能。通过本章研究结果可知,单一组分的二氧化硅纳米材料作为负极材料,存在充放电容量低和循环稳定性差等缺点。2.对二氧化硅气凝胶进行碳包覆既可以改善其电化学稳定性,又可以避免材料的结构坍塌,通过对比碳包覆过程中碳源的种类和碳含量对SiO₂/C复合物的电化学性能的影响可知,当该复合物中碳源选择蔗糖,碳含量的质量分数为10%时,复合物的电化学性能最优,该材料的循环寿命极好,库伦效率分布在95%¹00%范围之内,将其在0.1 C电流密度下恒流充放电循环399次后,容量保持率为98.6%,显示出极其优异的电化学性能。碳包覆对于电极阻抗同样有了明显地降低。3.采用镁热还原法通过两步将二氧化硅气凝胶还原为纳米硅,通过XRD分析可知,该还原过程非常充分,未发现副产物的生成。将还原得到的纳米材料进行电化学性能测试可知,活性材料在前期循环过程中处于被活化的阶段,放电比容量随循环的进行逐渐增加,其循环过程中第2次的放电比容量为698 mAh·g-1,循环到第20次时放电比容量增加到812 mAh·g-1,从第32次循环开始,放电比容量逐渐缓慢下降,循环到200次时比容量依然保持在52%左右,显示出优异的循环寿命和循环稳定性。循环过程中库伦效率保持在95%¹00%之间。当电流密度从420 mA·g-1依次增加到840、2100、4200、8400 mA·g-1,然后返回到420 mA·g-1时,循环125次后充放电比容量依次可以保持在664 mAh·g-1和662 mAh·g-1,与在420 mA·g-1电流密度下第2次充放电比容量710 mAh·g-1和698 mAh·g-1相比,容量分别保持在93.5%和94.8%,显示出优异的倍率性能。除此之外,该纳米材料的电极阻抗相比前两种物质都有了明显的提升。