硅负极材料具有最高的理论比容量(4200m Ah·g-1),工作电压低和环境友好以及资源丰富等优点,被认为是最具潜力的锂离子电池下一代负极材料。但是其在实际应用中仍然面临很多挑战,主要是因为硅颗粒在充放电过程中会产生巨大的体积变化,造成电极结构破坏,同时,覆盖在硅材料表面的SEI膜稳定性差,这些都使得电极容量迅速衰减。针对这一现状,本论文分别从电极结构、电解液和粘结剂三个方面对硅基负极进行性能改性,电极结构方面主要通过设计新型具有硅胶囊结构的多尺度电极几何构型,制备出能够限制硅颗粒的体积变化和稳定SEI膜的硅碳复合电极;电解液方面使用了不同种类的含硫成膜添加剂,同样使得SEI膜更加薄而稳定;粘结剂方面则选择了能与硅表面形成氢键的,机械性能优良的水溶性聚合物。相关研究工作的主要结果如下:(1)设计了一种具有独特几何层次的硅碳复合电极,该电极中的硅是被钙交联的海藻酸钠包覆着的硅微囊Si@alginate,并且均匀分散在使用了CMC+SBR粘结剂体系的石墨中。这种新型电极构造具有双重粘结剂体系,能够确保硅和石墨都在最适合各自的粘结剂体系中工作;另外,交联的海藻酸钠包覆层能够有效缓解硅颗粒的体积膨胀,减小团聚。这些优势使得电极的电化学性能显著提升,当硅与石墨的质量比为3:7,且海藻酸钠包覆量为10wt.%时,复合电极可逆容量可达916?m Ah·g-1,200圈循环后仍有92.4%的容量保持率,显著提高了硅碳复合电极的循环性能,以此制备的整体电池也显示了优良的电化学循环性能,表明这种新型几何结构的硅碳复合电极具有很好的应用和发展前景。(2)对比了多种含硫成膜添加剂对硅碳复合电极性能的影响,发现硫酸乙烯酯(DTD)作为添加剂加入电解液中对硅碳复合电极电化学性能有明显提升,DTD和碳酸乙烯酯(EC)具有相似的结构,能够参与生成稳定均匀的SEI膜。当DTD的添加量为3wt.%时,复合电极在可逆容量、循环性能、倍率性能上都有显著的提高,100圈时容量稳定在1000m Ah·g-1左右,容量保持率为97%,SEM表征证实了循环后电极表面的SEI膜薄且均匀,电极整体结构保持完整,并且通过CV、XPS、FTIR分析,也证实了电极表面SEI膜组成包含Li2SO3和ROSO2Li这些含硫的成分。(3)考察了聚丙烯酰胺(PAM)作为粘结剂对硅负极电化学性能的影响。PAM是一种新型水溶性聚合物粘结剂,有着良好的机械性能,而且富含酰胺基团,其结构中的-NH2能与硅表面形成强力的氢键,使得粘结剂与活性材料之间紧密连接,整个电极结构在循环过程中保持稳定。优化后的PAM粘结剂浓度为3%,此时,硅负极在300圈时容量保持率为80%,20C倍率下容量保持率仍有67%,循环性能,尤其是倍率性能,都有着显著的提高,同时,FTIR和XPS分析也证明了粘结剂与硅表面氢键的生成。上述研究从不同侧面提高了硅材料的性能,包括硅基负极的首次库伦效率、倍率性能、循环性能等,表明硅负极材料的产业化不仅需要对硅材料本身进行优化,也需要对硅电极的整个系统进行优化,只有这样,才能进一步推进硅基负极材料的产业化应用。