随着能源短缺和环境问题的日益突出,大力发展可再生的清洁能源逐步成为共识。它对减少能源消耗和生态环境保护起着至关重要的作用。在新能源领域,锂离子电池凭借能量密度高,工作电压高,循环寿命长,无记忆效应等优点,被广泛应用于便携式移动设备,电动汽车,储能电站等领域。然而,由于传统商用石墨负极较低的固有理论容量(372 mA h g-1),使其不能完全满足现阶段的市场需求。因此发展高能量密度的新型锂离子电池负极材料已势在必行。2000年,基于转化反应机理的过渡金属氧化物负极被提出,由于其高理论容量(500-1000 mA h g-1),储量丰富,成本低廉,无毒且环境友好的优点,引起了学者们的广泛关注。本文在综述了锂离子电池及相关负极材料研究进展的基础上,以探索开发电化学性能优异,制备方法简单,绿色低成本的锂离子电池负极材料为研究目标,以高能量密度的过渡金属氧化物负极材料为研究对象,对材料的结构进行设计,合成工艺进行优化,并采用纳米化和碳复合的改性方法,通过XRD,SEM,TEM,XPS,拉曼光谱,N2吸脱附等手段,系统研究了材料的合成、改性策略,对其表面形貌,微观结构和化学组成及储锂性能的影响,同时对电极的电化学反应机理也进行了深入的探讨。本文的主要研究内容如下:(1)以有序介孔碳CMK-3为载体,通过简单的湿化学法制备具有纳米结构的Fe3O4@CMK-3复合材料。在复合物结构中,纳米尺寸的Fe3O4晶粒(~10 nm)高度分散在有序介孔碳CMK-3基体上。CMK-3基体凭借孔道结构丰富,比表面积大等特点,为Fe3O4活性材料的生长提供反应位点和物理阻隔,从而达到限制颗粒生长和防止颗粒团聚的效果。作为锂离子电池负极材料,复合物电极表现出大的可逆容量和良好的循环稳定性及容量保持率。在200 mA g-1的电流密度条件下循环50周,可逆容量仍保持在911 mA h g-1。当电流密度增大至1000 mA g-1,循环100周后,容量依然达到670 mA h g-1。(2)采用类溶胶凝胶的方法原位制备新型泡沫结构Fe3O4/C复合材料。实验设计中以明胶作为碳源,硝酸铁作为铁源,利用两者间的相互作用,经过独特的自发膨胀过程,简单有效的得到泡沫结构的复合物。复合材料自身具有大量的多孔孔道,有利于电解液的浸润和增大电极/电解液接触面积。同时,高度分散的纳米尺寸Fe3O4均匀地嵌入碳基体中,有效加强其结构稳定性。作为锂离子电池负极材料表现出大的可逆容量和良好的循环稳定性。在200mag-1的电流密度条件下循环400周后,其可逆容量仍保持在1008mahg-1。当电流密度增大至3c和5c(1c=1000mag-1),复合电极的容量仍高达660和580mahg-1。(3)采用喷雾干燥技术,通过简单的一步法结合后煅烧处理制备了具有多孔结构的中空fe3o4/c微米球复合材料。研究发现,碳源的选择对材料的结构起着至关重要的作用。当选取蔗糖,聚乙烯吡咯烷酮作为碳源时,可分别得到具有实心球形结构和中空球形结构的fe3o4/c复合材料。通过比较发现,其中中空结构表现出更加优越的储锂性能。在此基础上,通过大量添加无机盐nacl作为模板,进一步实现了碳壳表面多孔孔道结构的构造。所制得的fe3o4/c多孔道结构中空复合材料中,相互连接的多孔孔道增加了电解液/活性材料的接触面积。纳米尺寸的fe3o4均匀的分散在较薄的壳层碳基体中,缩短了锂离子迁移路径,缓解材料在连续循环过程中的体积膨胀/收缩,加强复合材料的结构稳定性。作为锂离子电池负极材料,不同结构的fe3o4/c复合物负极均表现出大的可逆容量和优异的循环稳定性。其中,实心微球复合物电极和中空微球复合物在200mag-1的电流密度条件下循环600周,他们的可逆容量分别保持在613mahg-1和813mahg-1。fe3o4/c多孔道结构中空微球复合物电极在200mag-1的电流密度下循环300周后,可逆容量仍高达980mahg-1。当电流密度增大至1000mag-1,循环1000周后,容量依然接近520mahg-1。(4)采用“吸收—催化石墨化—氧化”三步法设计制备了具有纤维结构的石墨化碳包裹的α-fe2o3纳米复合材料。制备过程以脱脂棉作为碳源,乙酰丙酮铁作为铁源,利用金属fe的催化石墨化特性,实现了生物质材料的低温催化石墨化(650○c)。所构筑的复合物结构中,石墨化的碳壳完整地包覆在纳米尺寸α-fe2o3核周围,同时嵌入至导电碳纤维基体中。此结构有利于加强复合物的导电性能,同时改善充/放电过程中的结构稳定性。作为锂离子电池负极材料,表现出令人满意的可逆容量和良好的循环稳定性。当在200mag-1的电流密度条件下循环430周,其可逆容量保持在1070mahg-1。即使在1c和2c大电流条件下分别连续循环100周和200周后,复合物电极的容量仍高达950mahg-1和850mahg-1。(5)采用可控的溶剂热方法,通过控制沉淀剂的种类(尿素、环六亚甲基四胺),实现了nico2o4纳米线和纳米片阵列结构的构筑。所制得的nico2o4纳米线/纳米片阵列均具有多孔特性,且高度有序的生长于高导电性的泡沫镍基体上。此外,通过观察纳米线/纳米片这两种前驱体随着反应时间所发生的形貌变化,详细研究了其生长过程,并提出相应的生长机理。当这两种阵列电极直接被用作锂离子电池负极时,在500 mA g-1的电流密度条件下循环400周,纳米线阵列电极的可逆容量保持在967 mA h g-1,纳米片阵列电极的可逆容量高达1450 mA h g-1。同时,NiCo2O4纳米片阵列电极更表现出了优异的倍率特性,在5C(5000 mA g-1)电流密度下,经过500周循环,其可逆容量仍保持在500 mA h g-1以上。此外,还针对NiCo2O4纳米片阵列电极与传统涂布技术所制备的NiCo2O4电极的电化学性能进行比较,纳米片阵列电极在可逆容量,循环稳定性,电极稳定性方面均表现出明显的优势。