进入21世纪,能源短缺和环境恶化问题日趋严重,新型能源的开发迫在眉睫,锂离子电池(LIBs)以其比容量高、循环寿命长、无记忆效应、价格低廉等优点受到人们的青睐。负极材料对LIBs的综合性能至关重要。硅(Si)作为地球上最丰富的元素之一,其作为负极时理论比容量高达4200 mAh·g-1(室温下形成Li4.4Si),远高于传统石墨负极。然而Si负极在充放电过程中会产生～300%的体积膨胀,导致严重的容量衰减。此外,导电性差、不稳定的固体电解质界面(SEI)层不断形成和Si材料的开裂也是导致容量衰减和循环性能衰落的主要因素,极大地限制了 Si负极的发展。因此,本研究主要以Si-碳复合材料为目标,采用不同的方法分别制备了石墨烯和金属有机框架材料(MOFs)与Si结合形成的Si-碳复合材料改善Si负极的电化学性能。主要研究如下:1、采用一种简便的模板牺牲法通过协同效应制备碗状Si@还原氧化石墨烯(Si@rGO)杂化结构。电化学结果表明,Si@rGO负极在电流密度为0.1 A·g-1的情况下,首次放电比容量约为1890 mAh.g-1,库仑效率为90.79%。经过100次循环后,比容量稳定在450 mAh·g-1,当电流密度增加到1.0 A·g-1时,Si@rGO的比容量为100 mAh·g-1。实验结果表明Si@rGO出色的LIBs性能得益于该杂化结构,rGO的参与构建了三维纳米结构充当缓冲层在充放电过程中限制Si的体积变化使Si稳定并且促进了 Li+的扩散以及电极导电性的提高。2、采用ZIF-8为模板,设计了多面体碳@二氧化硅(PC@HC@SiO2)结构的复合材料。由于Si(OH)4的刻蚀作用,通过控制TEOS的水解时间得到了具有不同纳米结构的ZIF-8@SiO2。通过对ZIF-8@SiO2进行高温碳化处理,得到了 PC@HC@Si02复合材料。电化学结果表明,在电流密度为0.1 A·g-1的情况下,PC@HC@SiO2的初始放电容量为863.6 mAh·g-1,库仑效率为92.99%。150个周期后可逆容量稳定在723 mAh·g-1。即使电流密度增加到1.OA·g-1,经过800次循环后,仍可获得321.2 mAh.g-1的高可逆容量,表现出优越的倍率性能和长期循环能力。这种新型纳米结构不仅促进了嵌锂/脱嵌和Li+扩散的动力学,而且缓解了充放电过程中的体积膨胀。3、采用顺序模板法设计了空心多面体碳@碳化硅@Si(HCP@SiC@Si)的串联结构。HCP@SiC@Si是由碳内壳层、SiC中间层和Si纳米薄片组成的一种新型纳米结构。优化后的HCP@SiC@Si-12h负极在电流密度为0.1 A·g-1时,初始放电比容量为748.2 mAh·g-1,库仑效率为98.06%。此外,由于Li12Si7合金沿着HCP@SiC@Si的横向方向生成,经过100个循环后,可逆容量趋于稳定在816.3 mAh·g-1。即使电流密度达到1.0 A.g-1,经过200个循环后,也可以达到218 mAh·g-1的高可逆容量。这是由于在HCP@SiC@Si-12h中存在高的Si含量和高结晶度的SiC。研究发现经过长时间的循环,HCP@SiC@Si的结构依然保持的很好。这些结果表明,该串联结构促进了嵌锂/脱嵌和扩散过程的动力学。同时,也较好地缓解了充放电循环过程中体积的巨大变化,从而表现出优异的Li+存储性能。