锂离子电池(LIBs)具有能量密度高、可循环充放电等优点,广泛应用在如今的生活中。商品化负极材料石墨比容量较低,且存在一定的安全隐患。硅基材料具有储量丰富、价格低廉、比容量高、嵌锂电位合适等优点,近年来获得了科研工作者们的大量关注。本论文从开发环保型制备方法的角度出发,以获得优异循环稳定性和高比容量LIBs负极材料为目标,对硅基负极材料在合成方法上的优化、形貌结构上的调控以及电化学性能上的表征进行了系统研究,优化了硅基负极材料的储锂性能,取得了以下研究成果:(1)针对硅(Si)纳米颗粒电导率低、体积变化剧烈等问题,我们借助预氧化策略首先在Si纳米颗粒的表面原位构建了一层硅氧化物(Si O_x,0x表面均匀包覆上氮掺杂无定型碳(记为Si@Si O_x@C)。研究发现,Si O_x氧化层与碳前驱体之间存在较强的相互作用,有利于均匀碳包覆的形成。同时,具有核-双壳结构和微纳结构的Si@Si O_x@C复合材料兼具了微米材料和纳米材料的优点,使Si@Si O_x@C表现出优异的储锂性能、较高的电导率以及电极结构完整的特性。当用作LIBs负极材料时,Si@Si O_x@C在200 m A g^–1的电流密度下具有1168 m Ah g^–1的高可逆容量,并展现出优异的倍率性能和循环性能。此外,将其与商业化的Li Fe PO₄正极材料匹配组装了全电池,进一步证实了Si@Si O_x@C在LIBs领域上良好的应用潜力。该工作强调了活性材料与碳前驱体之间的界面作用对制备高性能碳包覆电极材料的重要作用。(2)针对传统的湿化学法和化学气相沉积(CVD)法包碳策略中可能带来的一系列环境问题和安全问题,我们开发了一种新型环保的、无任何溶剂和可燃气体参与的、可大规模生产的方法,并通过此方法将Si O_x亚微米粒子成功封装在氮掺杂无定型碳中,制得了Si O_x@氮掺杂碳复合材料(Si O_x@NC)。氮掺杂的碳不仅提高了电极材料的导电性能,而且对Si O_x起到了很好的体积缓冲作用,使电极材料具有优异的倍率性能、循环性能以及电极结构完整的特性。将其与商业化的Li Fe PO₄正极材料匹配组装了Si O_x@NC//Li Fe PO₄全电池,该全电池也展现出了优异的电化学性能。此外,通过同样的无溶剂法也制备了Si纳米颗粒@氮掺杂碳和Sn O₂纳米颗粒@氮掺杂碳复合材料,并对它们的形貌特征、结构和电化学性能分别进行了表征。发现该无溶剂碳包覆策略也可以在Si纳米颗粒和Sn O₂纳米颗粒等电极材料表面实现均匀的碳包覆,并大幅提升它们的循环性能,证明了该无溶剂碳包覆策略的普适性。(3)与嵌入型负极材料(如TiO₂)相比,合金化型硅基负极材料的循环性能并不占优。然而,比容量低的缺陷极大阻碍了TiO₂在LIBs上的发展。因此,针对硅基负极材料循环性能不佳、TiO₂比容量低的问题,我们选取了水溶性好的二(2-羟基丙酸)二氢氧化二铵合钛溶液作为钛源、正硅酸乙酯作为硅源,通过喷雾干燥再煅烧的方法简单高效地制得了Si掺杂锐钛矿TiO₂/碳(Si-TiO₂/C)复合微球。高能X射线衍射分析及其精修结果表明,部分Si是以替代Ti原子的掺杂方式存在于锐钛矿TiO₂中,掺杂的Si/Ti原子比为7.8%。X射线吸收谱也证明了Si在TiO₂中的成功掺杂。此外,通过电子能量损失谱以及X射线吸收近边结构表征发现,在完全嵌锂的同等条件下,Si的掺杂为TiO₂的Li⁺存储提供了额外的活性位点。当用于LIBs负极材料时,Si-TiO₂/C复合微球展现出了高的可逆容量(546 m Ah g^–1),且具有优异的倍率性能和循环性能。