硅负极材料具有较高的理论比容量和较低的嵌锂电位,是比较理想的下一代锂离子电池负极材料。但是硅材料仍然没有大规模应用于锂离子电池工业中,这是由于硅材料存在一些还未解决的问题:在充放电过程中,硅负极的固体电解质界面膜（Solid electrolyte interphase,SEI）不断破裂和重生,消耗电解液和活性锂,导致在循环过程中库仑效率较低,本研究在文献调研硅负极表面SEI生长机理的基础上,重点研究了硅基负极材料的制备、优化和界面控制。分别从硅负极材料的选择、硅碳复合材料制备和电极辅助材料优化三方面开展研究工作。具体的研究内容如下:1.选择和优化硅负极原材料。采用不同的表征技术和电化学方法对不同供应商生产的硅材料进行了表征。总结了硅材料的主要物理参数与电化学性能之间的相关性。硅材料颗粒尺寸、表面含氧量、表面羟基含量和物理形态对硅负极电化学性能有很大影响。硅负极材料中的含氧量与可逆容量和首次库仑效率之间存在反比关系。通过表面处理提高羟基的含量有助于通过改善硅材料与水溶性粘结剂之间的结合力来增强循环稳定性。球形硅颗粒比不规则硅颗粒具备更好的性能,团聚会显著降低硅负极的电化学性能。在所研究的硅材料中,一种样品具有89%的首次库仑效率,超过2500 mAh g-1放电容量和优异的循环性能,有望在电池工业中应用。2.使用碳纳米管（Carbon nanotubes,CNT）对硅负极材料进行改性。采用化学气相沉积法原位生长碳纳米管不仅提高了硅的导电性和力学性能,还起到缓冲硅体积变化的作用。毛发状Si@CNT（Silicon,Si）复合电极的性能优于纯硅材料和机械混合Si+CNT电极的性能。3.通过表面包覆改性硅负极材料。我们在硅纳米颗粒上设计了软碳和氧化亚硅涂层以形成均匀多层核壳结构的硅基纳米材料（Si@SiOx@C）。通过在不同温度下煅烧中相沥青包覆的硅纳米颗粒,用于制备厚度均匀的氧化亚硅涂层,可以有效控制其厚度在2 nm-15 nm范围内。优化后的氧化亚硅厚度为13.5 nm,可以很好地保护硅纳米颗粒。4.开发和优化硅负极的电极辅助材料。开发新型电解液添加剂,选用N,N-二甲基丙烯酰胺（N,N-Dimethylacrylamide,DMAA）作为硅负极材料的新型电解液添加剂。采用电化学和光谱相结合的方法,研究了硅负极在无添加剂和有DMAA添加剂的电解液中形成的固体电解质界面膜。发现硅负极电化学性能的显著提升是因为DMAA在硅负极上的有效钝化,添加DMAA有助于形成均匀的SEI层,从而抑制硅和电解液在界面处的副反应。优化硅负极用粘结剂。提出了在电极加工中引入甘油作为增塑剂的一种简便有效的物理方法,甘油有助于提高粘结剂的延展性和柔韧性,从而有效地缓解电化学循环过程中裂纹的形成和扩展。在海藻酸钠/甘油质量比为2:1的条件下,硅负极的长期循环性能和倍率性能都得到了明显的改善。