摘要： 针对硅纳米材料在电化学循环过程中表现出的结构不稳定以及相应的容量衰减严重、倍率性能差等问题，本论文采用液相与高温化学方法相结合的实验手段，实现了硅纳米线与石墨烯的多种复合电极结构，系统研究了材料在电化学反应过程中的若干结构、表界面不稳定性问题，建立了石墨烯与硅纳米线的高效结合机制，并得到了一系列有价值的研究成果。
1.针对硅基电极材料中至关重要的集流体与活性材料之间的界面优化问题，本论文首次制备得到了石墨烯柔性集流体包覆硅纳米线电极材料(SiNW@RGO)。该新型结构的特点在于石墨烯与硅纳米线形成了独立支撑的宏观膜电极，其本身作为柔性集流体对硅纳米线的体积效应有良好的适应性，彻底解决了硅纳米线从集流体脱离的问题。作为锂离子电池电极材料，该复合材料比采用传统方法制备的硅纳米线电极的循环稳定性和比容量有了显著提高。
2.围绕硅纳米线体积膨胀过程中与电解液的界面稳定性问题，本论文采用石墨烯作为原位包覆层制备了硅纳米线/石墨烯核壳结构(SiNW@G)，发现并研究了堆叠石墨烯层的自适应行为，该现象为保持硅纳米线与电解液的接触界面稳定提供了新的研究思路。通过进一步引入氧化石墨烯或碳纳米管材料，实现了两种形式的双包覆结构，对这种特殊的三维电极网络的对比研究表明，二维材料的二次包覆进一步优化了硅单元结构在整体电极中的结构稳定性，而一维材料构建的电极中形成了丰富的孔道，具体表现在电极的倍率性能有了明显提升，在4.2A/g的大电流密度下，仍可以保持高于1000mAh/g的可逆比容量。
3.针对传统硅/碳嵌套复合材料组分间接触效率较低的问题，在综合考虑硅材料本身的体积膨胀和所需界面稳定的前提下，本论文在硅纳米线/石墨烯核壳结构中引入空腔，成功制备了石墨烯纳米管嵌套硅纳米线结构（SiNW-d-GT）。在电化学反应过程中，引入的内部空腔有效缓冲了硅体积膨胀对管壁施加的应力，有利于石墨烯界面层的保持稳定;更重要的是，与传统硅材料的嵌套结构相比，该结构实现了硅纳米线与界面层间接触效率的大幅提高，进而保证了电子和锂离子的快速传输，从而提升了其电化学性能。电化学测试结果显示，经过长达1000次的循环后，电极的可逆比容量仍维持在1100 mAh/g以上。
4.从将硅纳米电极材料实用化的角度出发，本论文率先提出了硅碳复合电极材料系统工程化的理念，并开发了碱液辅助剥离的工艺，制备了石墨烯全包覆多孔硅纳米线阵列材料(t-SiNW@G array)。该材料实现了从微观到宏观对电极的全面把控，其中石墨烯全包覆结构使得多孔硅纳米线与电解液之间的界面更加稳定;硅纳米线的阵列结构形成了有序的孔道，与纳米线内部的孔隙联结在一起构成了自由的离子传输与扩散系统;单元结构的有序排列最大限度地提高了材料的组装密度，使得单位体积内的活性材料量增加、体积比容量提升。该电极材料的宏观体密度为～1g/cm3，且硅含量高达90％;电化学测试表明，电极循环稳定性良好，尤其具有较高的体积比容量，在840mA/g的电流密度下，经200次循环后其体积比容量仍达1500mAh/cm3，在同类材料中处于领先地位。
以上石墨烯/硅纳米线复合材料优异的电化学性能主要归因于石墨烯的多功能性。针对不同结构和形态的硅纳米线复合的结构化石墨烯不仅缓解硅在电化学反应过程中的体积变化效应、改善硅材料与电解液的接触界面，使得硅的结构和表界面在充放电过程中保持稳定，还提高材料内外部的电子和离子的传输效率，从而提高电极材料的循环稳定性和倍率等电化学储锂性能。
