锂离子电池中电极材料的电化学性能及电芯安全性一直是人们关注的重点,并且全电池的研究结果对于锂离子电池电极材料的实际商业化应用更具指导意义。本论文中,我们以硅基锂离子电池负极材料和电池安全性为研究对象,就如下几方面内容的进行研究。首先,通过测试硅基复合材料在全电池中的性能,研究了硅基材料在循环过程中的结构稳定性。其次,通过对硅碳复合材料在循环过程中的容量衰减机理进行分析,发现PI粘接剂的粘结力对电池循环性能的影响比较明显;并且发现改善膜片和集流体之间的粘结力,可以显著地提高电芯的循环稳定性。第三,在对不同阴极材料热稳定性的研究中,发现阴极和电解液之间的界面放热反应是影响阴极材料热稳定性的关键因素。通过对材料表面包覆、颗粒比表面积优化以及电解液功能添加剂等方法,可以明显改善材料热稳定性能。最后,本论文还研究了三元正极材料//石墨全电池体系的过充失效过程和机理,并采用电芯内短路模拟、释氧的定量分析、热箱实验等分析方法,分析了电芯在过充失效过程发生着火现象的原因。在对硅基材料的研究中我们发现,对于纯硅基材料(SSC),晶态硅在循环中会最早转变成无定形态,接着硅颗粒和Si Ox形成致密的连续体,最后反应生成的含锂硅氧化物起到SEI膜保护作用。SEI膜的形成抑制了因为硅的体积效应而引发的电解液副反应。在对硅碳复合材料的电化学性能的研究表明:采用硅碳复合材料(SSC:graphite=2:8,wt%)的全电池的电化学性能可以得到进一步改善。在45℃温度及0.7C充电和0.5C放电条件下电池循环400周后容量保持率仍然在80%以上,达到了商业应用的要求。通过分析循环过程中的容量衰减原因,我们发现PI粘接剂可以将膜片粘结力从3.7 N m-1提高到30 N m-1,保证了膜片和集流体之间的电子导电性,从而有效改善了电池的循环性能。此外,我们还发现与PVDF体系相比,硅碳复合材循环过程中容量快速衰减的主要原因是脱锂困难,因为其循环库伦效率仍然接近100%。最后,TEM分析结果显示硅碳复合材颗粒表面的SEI膜的厚度不足以引起电池容量的快速衰减。在研究不同阴极材料对电池热稳定性影响中发现,(1)Li Fe PO4体系具有较高的安全性;(2)对于Li Co O2正极材料,采用颗粒表面包覆Al2O3、优化颗粒尺度以及电解液SN功能添加剂等方法可以改善其热稳定性。(3)活性材料颗粒表面和电解液之间的界面放热反应是电池体系热量的主要来源,因此降低材料活性或减少界面反应的方法能够改善材料的热稳定性和提高电芯的安全性。我们还深入研究了电芯(Li Ni0.33Co0.33Mn0.33O2//Graphite)在过充时不同阶段的内外温度变化,发现电芯在过充后期内外温差逐渐增大。分析结果表明:电解液分解产气和充电欧姆电阻产热对电芯升温的贡献较小;结合活性材料脱锂量和材料在不同荷电状态下热稳定性的研究表明:高脱锂态的阴极材料和电解液间会发生剧烈反应,同时释放大量的热,最终引起电芯的热失控。另外,在对全电池过充着火现象的研究中我们发现:(1)采用打孔隔膜模拟电芯内短路,揭示了阴阳极间的内短路不是电芯过充着火的主要原因;(2)XRD结果表明,Li Ni0.33Co0.33Mn0.33O2材料结构在过充前后晶体结构保持良好,不会引起电池失效着火;(3)对阴极材料过充过程的释氧量的研究表明,所释放出的氧不足以维持电解液和其它活性物质的燃烧;(4)通过对过充电芯内外温度的测量发现电芯发生热失控的温度为132℃。同时,热箱实验结果证明,随着电池过充电深度的增加阳极极片的热稳定性逐渐恶化并伴随着电芯内部热量聚集,当电芯内部温度升高到135℃时阳极出现热失控,与外界进入的空气发生反应并最终引发电芯着火和剧烈燃烧。