随着社会能源需求和消耗的稳步增长,发展能源转化和存储技术变得尤为重要,从而推动了新型离子电池负极材料的研究。一维纳米金属氧化物以其理论比容量高、循环性能好、安全性高、廉价易得等优点成为下一代储能系统极具潜力的负极材料,同时也是组装原位纳米电池的最佳候选材料。本论文选用一维氧化铜纳米材料作为电极材料,包括氧化铜纳米线（CuO NWs）和氧化铜纳米管（CuO NTs）,利用原位透射电镜技术构建了开放式全固态纳米电池,通过透射电镜表征（TEM）、电子衍射谱（EDPs）、高分辨（HRTEM）和电子能量损失谱（EELS）技术研究了电极材料在锂化/脱锂过程中实时的形貌、结构、成分的微观变化,揭示纳米材料的储能机理及形貌结构的影响,为纳米电极材料的改性和设计提供微观理论依据。通过热氧化法制备了孪晶CuO NWs,观察到了氧化层中的柯肯达尔空洞,提出了铜离子和氧离子的互扩散势驱动CuO NWs生长的机理解释。以含有孪晶结构的Cu O NWs为正极材料,在环境透射电镜中构建了Li-CuO NWs原位纳米电池,揭示了锂化/脱锂反应机理和锂化动力学与外加电压的关系,孪晶界是热氧化过程中Cu²⁺和锂化过程中Li⁺的快速扩散通道,CuO→Cu→Cu₂O的不可逆相变及体积的不可逆膨胀是导致电池首圈容量衰减的主要原因。通过水热法结合热氧化法制备了多晶CuO NTs,中空结构的形成是柯肯达尔空洞长大的结果,揭示了柯肯达尔效应从微观到宏观的普遍性。以多晶CuO NTs为正极材料,在环境透射电镜中构建了Li-CuO NTs原位纳米电池,通过外加偏压实现纳米管的嵌锂/脱锂过程,揭示了Li-CuO的转换反应机理,首圈嵌锂过程中CuO NTs发生更大的纵向膨胀,引起更大的体积膨胀率,反应符合离子扩散动力学模型。