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锂离子电池(LIBs)具有能量密度高、循环寿命长、自放电率低及环境友好性等优点,广泛地应用于移动电子设备、电动车辆和各种储能系统中。然而,目前商业化的LIBs负极材料主要以石墨为主,其理论比容量仅为372 mAh g-1,远远不能满足未来市场对高能量密度的需求。因此,开发高能量密度的新型负极材料来取代石墨,对于LIBs的进一步发展具有十分重要的意义。硅(Si)因具备极高的理论容量(约为4200 mAh g-1)、合适的电极电位(＜0.5V,vs.Li/Li+)以及储量丰富等优点,有望取代石墨成为新一代锂离子电池负极材料。然而,Si作为负极材料也存在明显的缺点:一方面,脱嵌锂过程中会发生巨大的体积变化(＞300%),导致表面连续形成不稳定的固体电解质界面层(SEI),造成巨大的不可逆容量损失,并且多次循环后,颗粒会剧烈粉碎脱离集流体而失去电接触;另一方面,Si自身较低的电导率,不利于脱嵌锂过程的快速进行,极大地阻碍了硅基负极材料的实际应用。针对以上问题,研究者进行了各种方法的尝试,发现硅碳复合能有效的缓解硅的体积膨胀,提高材料整体导电性,增加LIBs的循环寿命。但是单纯的碳包覆无法保持LIBs在大电流密度下的长期循环稳定性,因此合理设计Si/C纳米结构对于电极的完整性和锂离子与电子在电极/电解质界面之间以及活性材料内的快速转移也至关重要。本文创新性的以金属离子为配体实现了对Si/C纳米结构的合理设计,成功制备出具有高导电稳定基底的分层花状结构和高库伦效率的导电网络球形结构,并进一步探究了不同金属离子高配位结合的反应机理。具体的研究内容如下:1.三维分层Si@NiO@Ni/C复合材料的制备及电化学性能研究利用设计的L-赖氨酸反应体系,在Si纳米颗粒表面原位生长出层状的Ni(OH)2,成功制备具有高导电稳定基底的分层花状Si@NiO@Ni/C(700-PDA)结构。此外,探究了 L-赖氨酸反应体系中Si纳米颗粒与Ni2+离子结合的反应机理,以及对Si@NiO,Si@NiO@Ni/C(700-glucose)和 Si@NiO@Ni/C(700-PDA)电极进行电化学性能比较。研究结果表明,Si@NiO@Ni/C(700-PDA)电极在0.5 A g-1下的初始充电/放电容量可高达1758.9/1045.3 mAh g-1,初始库仑效率(ICE)为59.4%,循环300圈后能显示出1265.5 mAh g-1的高可逆比容量,并具有出色的倍率性能(0.2、0.5、1、2、3 A g-1时分别为982.2、876.1、766.6、645.8、572 mAh g-1),显示出最优异的电化学性能。2.球形Si/carbon gel@void@C复合材料的制备及电化学性能研究对L-赖氨酸反应体系进行改进(加入柠檬酸盐),加强Fe3+离子配体的络合作用,成功制备出一种以碳材料为骨架的导电网络球形Si/carbon gel@void@C结构。对改进的反应体系进行探讨,进一步论证了L-赖酸的必要性。此外,比较了 Si/carbon gel@Fe3O4@C与Si/carbongel@void@C电极的电化学性能,研究结果表明,Si/carbon gel@void@C 电极在 0.5 A g-1下能展示出 1828.8/1508.3 mAh g-1 的高初始充电/放电容量,初始库仑效率(ICE)高达82.47%,经过300圈循环后依然可以保持1201.3 mAh g-1的高可逆比容量。此外,Si/carbon gel@void@C电极凭借良好的导电网络结构表现出优异的倍率性能(0.2、0.5、1、2、3 A g-1 时分别为 947.1、850.2、785.7、576.7、407.5 mAh g-1),总体电化学性能优于 Si/carbon gel@Fe3O4@C。