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硅基材料因具有超高的理论容量(4200mA h g-1)和丰富的资源储藏等优点，有望成为下一代替代石墨的锂离子电池负极材料。然而，这类材料不仅本身导电性差，而且在脱/嵌锂过程中发生严重的体积变化，从而导致电极材料的粉化和脱落，使锂离子电池的电化学性能不能满足人们的要求，表现出快速的容量衰减和差的倍率性能。因此，如何改善硅基材料的导电性差和巨大的体积改变问题，制备电化学性能优异的硅基负极材料是目前研究的热点和重点。本论文发展了一种简单的水凝胶衍生的合成方法，即通过纳米硅与设计合成的几种碳介质的原位复合，制备出电化学性能得到显著改善的硅碳纳米多孔复合材料。论文的主要研究工作如下: (1)利用氧化石墨烯(GO)和壳聚糖(Cs)之间的静电吸引以及氢键作用合成了GO单网络水凝胶，利用该水凝胶中GO单网络将纳米硅原位、均匀地固封于其中。再经过随后的冷冻干燥以及简单的热处理过程，便制备出三维纳米多孔Si@G复合材料。相比于原始的纳米硅负极材料，经过比例优化的Si@G纳米复合材料表现出了较好的循环性能和倍率性能。例如，Si@G(1∶2)（质量比）复合材料在0.5Ag-1的电流密度下循环200圈后，依旧可以保持497.7mAh g-1的容量。 (2)在上述工作的基础上，还原位引入碳纳米管(CNT)于GO单网络水凝胶中，再经过随后的冷冻干燥以及简单的热处理过程，制得三维纳米多孔Si-CNT@G复合材料。与上述石墨烯单网络包封硅的Si@G复合材料相比，CNT的引入使得石墨烯形成牢固的、三维互通的导电碳网络，大大提高了电荷传输能力，使得Si-CNT@G纳米复合材料具备了更好的电化学储锂性能。例如，在0.5Ag-1的电流密度下，Si-CNT@G(1∶0.2∶2)(质量比)复合材料在循环200圈后，放电容量仍保持有673.7mAh g-1的容量，其容量保持率高达97％，远远高于所对应的Si@G纳米复合材料。 (3)设计了一种双网络水凝胶，即以GO网络和聚乙烯醇(PVA)网络相互交织而形成双网络水凝胶，利用该水凝胶将纳米硅颗粒原位包封于其中形成前驱体(Si@PVA/GO)，再经过随后的冷冻干燥以及简单的热处理过程，制得三维纳米多孔Si@C/G复合材料，实现纳米硅均匀地被原位包封在无定形碳/石墨烯(C/G)三维导电网络中。独特的双重碳网络结构，有效缓冲了充放电过程中硅的体积效应，并大大提高了材料的导电性，确保了Si@C/G复合材料具备更优越的储锂性能。例如，在0.5Ag-1的电流密度下，经100个循环后，Si@C/G纳多孔米复合材料仍具有高的放电比容量830.5mAh g-1;即使电流密度提高至2Ag-1，经过200圈循环后，三维纳米多孔Si@C/G复合材料仍保持565.9mAhg-1的高可逆放电容量。