摘要
锂离子电池作为一种革新性的储能技术，凭借其卓越的能量密度和环境友好性，已经成为当今科技产品中不可或缺的一部分。它在智能手机、笔记本电脑、电动汽车等领域的广泛应用，展现了其在现代生活中的重要性。硅基负极材料是锂离子电池的一部分，由于具有出色的理论比容量，使其在提升电池能量密度方面显现出明显优势，因而备受业界的关注。 尽管硅负极材料在理论上具有巨大的应用潜力，但其在产业化应用的过程中却面临着多方面挑战。首先，硅负极材料的体积效应较为显著，这不仅会影响电池的体积设计，还可能对材料结构造成损害。其次，在进行脱锂或嵌锂过程后容易形成大量的不可逆锂盐沉积物，即“死锂”，以上问题严重地降低了电池性能，缩短了使用寿命。本文的主要内容旨在探索缓解硅负极材料的体积膨胀问题以及提高硅负极材料循环稳定性的有效途径，为推动高能量密度锂离子电池技术的发展提供新思路。 （1）以玉米淀粉为碳源，利用KOH碱刻蚀法和水热复合法，包覆碳外层制备硅碳负极材料的技术路线，设计出了一种以纳米硅和生物质玉米淀粉多孔碳框架为内层，酚醛树脂碳包覆于外层的核壳结构，该结构的高比表面积可以增加活性位点，并有效缓解了纳米硅的体积膨胀，从而防止电池循环过程中电极材料发生脱落，因此显著提升了电极性能。经实验验证，Si-CSPC@C材料表现出了优异的电化学特性，在0.2C时Si-CSPC@C材料循环200次的电池比容量可达到995mAhg-1。1C时，Si-CSPC@C具有810mAhg-1的可逆容量。这一结果充分证明了Si-CSPC@C材料在电池性能上的独特优势，为开发新型高性能锂离子电池电极材料提供了新的思路和可能性。 （2）以木质素为碳源，利用静电自组装方法将纳米硅与木质素结合，制备出新型的纳米硅木质素前驱体，设计一种硅碳球状复合结构不仅有效避免了纳米硅球在合成过程中的团聚现象，还使得材料颗粒分散性更加均匀。在电流密度为0.2C时，材料容量稳定在1200mAhg-1，并循环保持到200圈。这一优异的电化学性能得益于纳米硅球状结构的稳定性以及木质素基碳的良好导电性和电化学稳定性。并进一步探讨了烧结方法对纳米硅木质素前驱体结构的影响，通过对材料物相、形貌及电化学性能等方面的对比，筛选一步烧结工艺制备方法，该工艺的优势在于它简化了制备流程，既可以节约资源又可提升硅碳负极电池材料电化学性能。在2C时，一步烧结法制备的硅碳负极材料在循环中放电比容量较高，100圈后仍能达到1000mAhg-1左右。这为未来高性能储能系统的开发奠定了坚实的基础，展现了生物质碳材料在锂离子电池领域的巨大潜力。
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