1.1 锂离子电池（LIB）的概述

锂电池已经广泛应用于军事以及小型的民用电器中，如手机，电脑，摄像机，照相机等，并且具有很大的发展潜力。它具有比能量高,电池电压高，工作温度范围宽，储存寿命长等优点，相对于其他电池具有较大优势^[1]。目前关于其能量和功率密度，成本，以及循环寿命的研究较多。热点的研究领域之一是找到更高的存储容量的阳极（负极）材料的储能元件，以取代石墨。由于硅元素拥有同类元素中的最高理论能量密度^[2]，便宜，且易于处理的，因而它是一个有吸引力的备选材料和调查的重点。本课题的所研究的就是将硅-石墨烯材料应用于锂电池中。

锂离子电池的电池性能一般通过以下几个方面来评价：（1）容量 （2）放电特性和内阻 （3）贮存性能（4）循环寿命 （5）内压和耐过充电性能。为了提高电池的性能，对电池的各部分也提出了相应的要求。其中，对于正极来说，应符合[1]：(1) 相对锂的电极电位高，材料组成不随电位变化，粒子导电率和电子导电率高，有利于降低电池内阻（2）锂离子嵌入脱嵌可逆性好，伴随反应的体积变化小，锂离子扩散速度快，以便获得良好的循环特性和大电流特性。（3）与有机电解质和粘结剂接触性能好，热稳性好，有利于延长电池寿命和提高安全性能。

而对负极而言，应符合：（1）：锂贮存量高，（2）：锂在碳中的嵌入脱嵌反应快，即锂离子在固相的扩散系数大，在电极－电解液界面的移动阻抗小。（3）：锂离子在电极材料中的存在状态稳定。（4）：在电池的充放电循环中，碳负极材料体积变化小。（5）电子导电性高。（6）碳材料在电解液中不溶解。

1.2 锂离子电池负极材料概述

锂离子电池负极材料的研究重点一直在朝着更高的比容量、循环性能和首

次充放电效率以及较低成本方向发展。主要分为碳材料、合金材料和复合材料。具体说来,目前对碳负极的研究主要是采用各种手段对其表面进行改性,但是对人造石墨再进行表面处理将进一步增加制造成本,因此今后研究的重点仍将是怎样更好的利用廉价的天然石墨和开发有价值的无定形碳材料。纳米化、活性惰性基合金体系和合适的稳定分散隔离介质的有机结合可能是解决该难题,使高容量合金或复合物负极走向实用化的的关键^[3]。

1) 碳材料

在碳材料中，石墨烯作为一个新型的材料，具有很大的研究价值。石墨烯（graphene）自2004 年由曼彻斯特大学天文物理学教授Andre Geim 带领的团队^[4][5]发现后迅速引起科学家们广泛的研究兴趣^[6～8]。石墨烯是由碳原子构成的二维晶体，碳原子排列与石墨的单原子层一样，通过氧化化工处理的石墨，使他们溶于水中经过处理后石墨烯会剥落形成单层氧化石墨烯 (graphene oxide)^[9]。剥离的氧化石墨烯在特定的还原剂的作用下会被还原成单层石墨片^[10]， 该单层的石墨薄片可和众多材料复合形成多种新型功能材料^[11]，也可在其它众多领域中发挥重要的作用。Andrzej Lewandowski^[12] 等通过理论计算预计石墨烯的双电层比容量可达260F/g。

石墨烯因其特殊的片层结构，相比传统的碳负极材料，可以提供更多的储锂空间。但更进一步的研究发现，石墨烯材料受到首次库仑效率低^[13]、充放电平台较高等缺点的制约，导致其并不能替代传统石墨直接作为负极材料使用。关于石墨烯的储锂机理还需进一步深入研究。

2）合金材料

其次是合金材料。对于合金材料的研究表明：通过活性/ 非活性复合合金体系及合金的纳米化,在一定程度上有效地缓解了合金材料在储锂过程中的膨胀粉化,大大改善了合金负极的循环性能。但合金纳米化后,由于纳米材料大的表面积,使形成的SEI 膜增多,锂的消耗量增加,导致首次不可逆容量大大增加。另外,纳米颗粒间容易发生团聚,而一旦团聚发生,内部颗粒就有可能失去电接触,其原来在动力学、循环性上的优势将大大减弱。因此,避免纳米合金颗粒的团聚和减少或避免

纳米颗粒表面SEI 膜的形成应是最终解决合金负极问题的根本途径^[3]。

其中，硅是一种较为理想的金属材料。硅拥有同类元素之间的最高理论能量密度[2]，便宜，且易于处理。在许多工程结构中，如纳米线和薄膜，硅展现出近理论存储容量。然而，为保持集电器的的导电性的需求，限制了其尺寸为几百纳米。这些结构通常也需要金属集电器作为支撑，它的重量显着降低了电极的整体存储容量。另一方面，硅纳米粒子，可以很容易分散到轻质的碳中作为支撑，最大限度地减少，甚至消除了由于集电器的重量造成的损失。然而，他们仍然不能令人满意，无论是因为循环稳定性差，生产成本高，和（或）容量提升不足。尽管导致循环后储存容量下降的确切原因还不清楚，但原因之一是由于锂化/脱锂化过程中的体积的大量变化造成的硅结构的碎裂，从而导致一些硅碎片失去了电接触^[14]。