锂离子电池在人们的日常生活中应用的越来越广泛，小到手机、笔记本等电子产品，大到电动汽车甚至大型社区的动力电池，都可以看到它的身影。锂离子电池主要由外壳、正极材料、负极材料、电解液和隔膜等组成，负极材料是锂离子电池的一个重要组成部分，石墨负极材料已成功商品化，但还有一些难以克服的弱点。为了进一步提高锂离子电池的性能，本文着眼制备含碳纳米复合材料作为锂离子电池负极材料，并对它们的性能进行了研究。主要任务是围绕如何提高锂离子电池的比容量、首次充放电效率、循环性能及降低成本这几方面展开研究。目前已知的负极材料在充放电过程中有3种不同的机理,即Li+的插入/脱插反应、转换（或氧化还原）反应和合金/去合金反应。为了提高锂离子电池的性能，本文着眼制备含碳纳米复合材料，并对它们作锂离子电池负极时的性能进行了研究。本文在设计实验体系时，由于复合材料中的碳材料发生的是插入/脱插反应，选择性地设计复合材料中共存的其他电活性材料，它们发生的是发生转换反应或合金/去合金反应。实验采用多种技术手段表征和检测了实验条件对材料物理性质的影响，并对比它们在电化学性能上的差异，探讨了这些复合材料用作锂离子电池的负极时，上述差异带来的对锂离子电池的性能的影响，具体工作主要有以下四个方面：　　第一部分的研究工作是掺杂Fe3C的多孔碳球的制备及其在锂离子电池负极中的应用。将电活性材料Fe3C内嵌分散在多孔碳球材料内，考察电活性材料的性质对电池容量的影响。首先通过 St?ber法，用氨水、乙醇、甲醛和间苯二酚等制备了间苯二酚-甲醛树脂纳米球。然后将树脂球、氯化铁和醋酸钠分散在乙醇和水的混合溶剂中，通过水热法，在间苯二酚-甲醛树脂球内嵌入含铁的化合物，最终热解制备了掺杂Fe3C纳米颗粒的多孔碳球。发现在水热反应中，水和乙醇溶剂的不同比例关系会对最终产物构造的电池性能产生影响。当水和乙醇的体积比是17:3时，将制备出来的终产物制成负极，在以100 mA g-1的电流密度恒流充放电250次后，放电容量为533.6 mAh g-1；在以2000 mA g-1的电流密度恒流充放电时，循环1000次后放电容量仍有181.7 mAh g-1。循环伏安法和电化学阻抗法等方法表明内嵌的Fe3C能产生伪容量现象，这是电池表现出高容量和快倍率性能的主要原因。电池容量在循环过程中出现了阶跃式升高的现象，这与多孔电极材料的自活化行为有关。　　第二部分的研究工作是基于普鲁士蓝制备含Fe的空心碳立方体复合材料及其锂离子电池负极性能研究。在空心的电活性材料普鲁士蓝外生长一层均匀致密的碳壳，研究热解温度对碳外壳以及内嵌的电活性物质的影响。首先用聚乙烯吡咯烷酮和亚铁氰化钾制备出大小约400～600 nm的普鲁士蓝纳米颗粒，然后将它和间苯二酚、甲醛、氨水、乙醇等分散、溶解在蒸馏水中，通过水热法在普鲁士蓝表面生长一层间苯二酚-甲醛树脂，最后分别在400、600和800 ℃中热解制备含铁的空心碳立方体的复合材料。实验发现热解使得复合材料具有内部中空、外部有碳壳保护和能够维持普鲁士蓝原有的立方体形貌的特点。而且随热解温度升高，普鲁士蓝先被还原成Fe3O4，再被还原成单质Fe。电化学实验表明在600 ℃形成的 Fe3O4/空心碳立方体复合材料，用作电池负极时,它的电池性能最好。在以100 mA g-1的电流密度恒流充放电100次后，电池容量仍高达1126 mAh g-1。　　第三部分的研究工作是基于金属有机框架物ZIF-8制备的Sn/C-ZnO核壳结构复合物及其锂离子电池负极性能研究。在电活性材料SnO2外覆盖一层碳材料，对比碳壳厚度对电池性能的影响。首先由间苯二酚、甲醛和SnCl2等前驱物制备了多孔SnO2空心纳米球，然后在上面生长金属有机骨架物ZIF-8，ZIF-8的厚度可由反应时间控制。最终通过热解可制得Sn/C-ZnO核壳结构的复合材料。结果表明，其中一种碳壳较薄的复合材料，BET表面积、总孔体积和含锡量分别是297 m2 g-1、0.4251 cm3 g-1和55.1％；而另一种碳壳较厚的复合材料， BET表面积、总孔体积和含锡量分别只有32.9 m2 g-1和0.0543 cm3 g-1和11.2%。但在以100 mA g-1的电流充放电50次后，由碳壳薄的材料制备的电池容量降到了456.2 mAh g-1，而由碳壳厚的材料制备的电池容量保持在515.6 mAh g-1；倍率性能也是碳壳厚的材料更优。实验说明碳壳薄的的复合材料在充放电时，纳米结构可能发生了变化，如团聚及和多孔结构坍塌等，最终影响了它的电池容量。　　第四部分的研究工作是 NiCo2O4纳米阵列在碳布上的可控生长及其在锂离子电池中的负极应用研究。用碳材料碳布做支撑体，在上面生长一层阵列状电化学材料NiCo2O4，研究阵列状电活性材料NiCo2O4的厚度对电池性能的影响。研究表明该条件下制备的前驱体是钴镍双金属碱式碳酸盐，热解释放出CO2和H2O，从而使得NiCo2O4内部呈介孔结构。通过控制水热反应时间分别为6、12和18小时，最终在碳布上得到的NiCo2O4的厚度分别为1.8、3.3和4.4μm。在水热反应时间分别为6、12和18小时制备而得的3种NiCo2O4/碳布电极上，碳布上的NiCo2O4单位面积负载量分别是1.09、2.25和5.09mg cm-2。用100 mA g-1的电流对这3种电极进行充放电测试，对比第80圈的容量，可以发现碳布上NiCo2O4的质量比容量分别是1186、767和354 mAh g-1。这说明如果碳布负载的NiCo2O4质量越轻，则 NiCo2O4表现出来的实际容量就越高；或者说碳纤维上 NiCo2O4层的厚度越薄，越有助于提高NiCo2O4的电池容量。而这3种电极的面积比容量分别是2.59、3.04和3.10 mAh cm-2。由于在实际应用中，电极的面积比容量比质量比容量更有参考价值，如果从电极整体来考虑的话，更厚的NiCo2O4层会在一定程度上提升面积比容量。