锂离子电池作为二十一世纪的关键储能设备,在其正极材料容量没有大的突破之前,使用高比容量负极材料是提升锂离子电池能量密度的主要策略。Si是已知锂离子存储能力最强的单质材料,但其较低的电子和离子电导率极大地影响了电化学性能的发挥。Ge与Si属于同族元素,尽管Ge的储锂容量与Si相比较弱,但是Ge的电子和离子电导率比Si高两个数量级。课题组前期采用Si/TiO₂多层膜对Si/TiO₂的界面行为进行了较细致的研究,发现界面提升了负极材料整体的电化学性能,同时促进了离子的扩散动力学。本论文中我们以Ge为研究对象,研究了TiO₂/Ge和TiO₂/(Si-Ge)的界面电化学行为。1.在TiO₂/Ge多层膜结构中,探讨非晶TiO₂缓冲基体对Ge基材料的结构与电化学性能影响;通过多层膜结构将TiO₂-Ge复合材料存在的异质界面进行宏观放大,探讨TiO₂/Ge的异质界面效应。结果表明:(1)非晶TiO₂作基底有效缓解了Ge材料的体积变化,提高了负极材料的循环稳定性;(2)TiO₂/Ge异质界面存在大量的储锂位点,界面通过电池电化学行为储锂,提高了负极材料的比容量;(3)TiO₂/Ge异质界面处形成局域锂离子浓度梯度,进一步促进锂离子的输运动力学。2.与非晶TiO₂相比较,锐钛矿相TiO₂具有更加稳定的热学性能与机械性能。因此,对TiO₂/Ge多层膜复合负极材料进行热处理,使TiO₂相发生非晶到锐钛矿的转变,探究其电化学性能。结果表明:(1)锐钛矿相TiO₂较非晶TiO₂能更好的稳定电极结构,提高了负极材料的比容量保持率与结构稳定性,可广泛应用于较大体积变化IV族元素的缓冲基体;(2)热处理实现了Ge从薄膜内部扩散到薄膜表面;(3)样品c-TG-15:5为最佳TiO₂/Ge厚度比,该样品具有最大比容量(650 m Ah/g)与优异倍率性能。3.Si具有极高的比容量,Ge具有极好的扩散动力学,制备TiO₂/(Si-Ge)合金多层膜复合材料可实现高能量密度与高功率密度的要求,同时Si部分替代Ge能降低负极的成本价格。结果表明:(1)Si:Ge比例为1:1时,TSG-50%具有最优秀的电化学性能,这是因为该比例下,Si-Ge合金内部产生最大的局域应力场,限制位错移动,稳定了电极片结构;(2)多层膜TiO₂/(Si-Ge)异质界面处也有大量储锂位点,提升了样品比容量;(3)Ge提升了电极片的电导率;(4)非晶相TiO₂缓解一定程度上缓解了Si-Ge合金的体积变化,稳定电极结构。