随着各种便携电子设备及电动交通工具的高速发展,目前商业锂离子电池材料能量密度已经难以满足需求。因此,寻求新材料为锂离子电池提供更高的能量密度,更加稳定的循环性能是推动锂离子电池发展的方向。本论文以负极材料为切入点,以过渡金属氧化物Fe2O3,TiO2为研究对象,设计多级微/纳复合结构,探索尺寸、形貌、以及材料复合对电极材料的电化学性能影响。深入研究材料嵌脱锂过程对结构的影响,从而建立材料结构与电化学性能的联系。主要研究内容如下:(1)一锅法利用水/乙醇作为共溶剂,通过水热制备具有空心结构的α-Fe2O3微立方体。合成出的微立方体大小均匀,棱长约为1.5μm。通过研究一系列反应时间与溶剂比例对产物微结构的影响,提出了一种取向腐蚀机理。水与乙醇作为共溶剂产生的这种效应对空心微立方体的形成起到了关键的作用。将该空心结构的α-Fe2O3组装成半电池并与实心结构的α-Fe2O3做性能对比,结果显示空心结构的α-Fe2O3展示出了优异的循环性能(在100 mA g-1的充放电电流下经100次循环,容量保持在458 mAh g-1)和高倍率性能(在100,200,500和1000 mA g-1的放电电流下容量分别保持在859,855,688和460 mAh g-1)。这些优异的电化学性能归功于其独特的空心微结构,使得其在电化学循环过程中起到稳定结构,缓解内应力和增大反应面积的作用。(2)利用氧化亚铁硫杆菌对二价铁离子的代谢作用,制备出具有单晶结构的α-Fe2O3纳米棒。这种利用生物作用进行材料加工的手段绿色环保,条件温和。经一系列表征手段详细研究了由细菌矿化作用制备具有单晶结构α-Fe2O3的形成机理。将该材料应用于锂离子电池负极材料,经100次循环后容量保持为614 mAh g-1,性能优异。通过详细研究嵌脱锂过程对该单晶α-Fe2O3材料结构造成的影响,我们发现其在循环过程中不断颗粒化,并在周围产生有机质膜网将粉化的颗粒包裹住,达到稳定结构的目的。(3)利用高能球磨结合化学沉积的方法,用红磷改性无定形二氧化钛。红磷是一种具有很高理论容量的负极材料(2596 mAh g-1),然而在嵌脱锂过程中易产生体积膨胀,引起材料结构坍塌,导致极大的容量衰减。TiO2作为负极材料具有优异的稳定性,但由于自身较低的理论容量,限制了其应用。受到钢筋混凝土结构的启发,将红磷包裹在TiO2内部,使二者有机结合达到性能互补的作用。研究结果表明,无规则的红磷颗粒被纳米尺寸的TiO2完全包裹在内,使二者形成一种类似于钢筋混凝土结构。红磷作为“钢筋”,可以极大地提升复合材料的容量,而外面包裹的A-Ti O2作为“混凝土”,在发挥自身容量的同时保护了内部的红磷,防止其结构坍塌。该红磷/二氧化钛复合材料性能优异,经100次循环充放电后仍保持有369 mAh g-1的容量。在以1 A g-1的大电流充放电下仍具有202 mAh g-1的容量。该容量对比纯相TiO2具有很大的性能提升,展示出了“钢筋混凝土结构”策略在改性TiO2方面有很大潜力。