摘要
锂离子电池作为一种相对成熟的绿色环保储能装置，在储能电池、消费电池和动力电池领域都得到广泛应用。随着新能源转换技术的日趋成熟、移动电子设备的更新迭代以及电动汽车的推广普及，锂离子电池传统石墨负极的容量已不能满足人们的需求，所以开发兼具高容量和长寿命的负极材料已经成为迫切需要！硅氧化物基负极材料因理论容量高、工作电位低、绿色无污染、资源储量丰富等优势，成为替代商用石墨负极的有力竞争者，但它电化学活性小、有活性锂损失及会发生体积膨胀三个缺点限制了其应用推广。因此，本论文通过合理的设计，将硅氧化物与负载Co纳米颗粒的还原氧化石墨烯（rGC）复合，以期提高其电化学性能。具体研究内容与研究结果如下： （1）通过原位静电自组装的方式制备出了用作锂离子电池负极的空心多孔SiO2与rGC复合材料（SiO2/rGC）。分析发现石墨烯网络的高导电性、Co纳米颗粒对打破Si-O键的催化作用以及空心结构为锂离子带来的更短的扩散路径，协同提高了SiO2的电化学活性。以石墨烯作为负载基体，有效保持了Co单质的纳米尺度，成功实现了Co对不可逆产物Li2O的反复激活，减少了SiO2的活性锂损失。空心多孔结构和石墨烯网络可以有效抑制SiO2循环过程中的体膨胀现象。结果表明，复合材料SiO2/rGC表现出了较高的容量和优异的长循环稳定性与结构稳定性。在0.1A/g下循环100圈后充电容量为370.4mAh/g，相较于纯SiO2的59.8mAh/g，将容量提升了5倍；在1.0A/g下经过2000圈长循环后容量保持率为94.03%；在5.0A/g下循环1000圈后体积膨胀率仅为55%。 （2）结合（1）提出的有效策略，利用多孔结构、石墨烯网络及Co纳米颗粒的协同作用，改善具有更高理论容量的SiO负极材料的电化学性能。即采用原位静电自组装方式按照不同质量配比制备多孔SiO与rGC复合材料（SiO/rGC-x）。对比发现，复合材料的电化学性能相对于纯SiO得到了极大的提升，且材料中rGC含量越高，构建的三维导电网络越完整，其电化学活性和缓冲体积膨胀的能力越强，Co纳米颗粒对Li2O的活化作用越明显，活性锂损失越少。当SiO：rGC=1：2时，复合材料SiO/rGC-0.5拥有最佳的电化学性能，其在0.1A/g下首圈放/充电容量可达625.5/412.6mAh/g，在0.5A/g下循环500圈后容量保持率为97.69%，体积膨胀率仅为43%，相较于纯SiO电极的311%，体膨胀率下降了268%，材料表现出较高的容量和优异的长循环稳定性与结构稳定性。
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