当前,锂离子电池以其能量密度大、输出电压高、循环寿命长、无记忆效应以及绿色环保等特点已广泛应用于便携式电子市场,并逐渐向高功率系统如电动/混合动力汽车及大规模储能工程等领域快速发展。但目前已商业化的碳负极材料由于其比容量较低已无法满足人们对高性能电池的需求,开发新一代高性能的负极材料成为人们研究的热点。在众多可替代负极材料中,锡基负极材料具有较大的储锂容量、较安全的放电电位、价格低廉及储量丰富等优点,有望成为高功率系统所需的大容量锂离子电池负极材料,具有极大的发展前景和研究价值。但如何缓解锡基材料在循环嵌锂时产生的体积变化、增加电极的导电性、提高电极稳定性一直是其研究的关键点。目前,改善锡基负极材料循环性能的常用方法有纳米化、多孔化、与其它材料复合等手段。天然纤维素具有资源丰富、生物相容性好、可再生等优点,在生产和生活中应用广泛。天然纤维素具有独特的三维网状多孔结构及优良的柔韧性和机械强度,其表面具有大量的羟基,客体物质能够通过氢键或共价键作用在其表面形成凝胶膜,然后选择性的除去原始纤维度模板或将其作为支架和碳源,便会制备出相应的功能纳米结构材料。为进一步提高锡基负极材料的循环和倍率性能,我们采用天然纤维素物质为模板和碳源,制备出了一系列锡基纳米复合材料。这些材料成功复制了天然纤维素的独特空间三维网状结构,该结构能有效缓冲锡基材料在充放电过程中严重的体积效应,提高电极的稳定性。当其用作锂离子电池负极材料时,锡基材料电化学性能得到了显著改善。主要研究结果如下:1.锡纳米颗粒/碳纳米纤维复合材料:以锡酸四异丙酯为前体物,通过表面溶胶-凝胶法在滤纸纤维表面沉积二氧化锡凝胶膜,经高温碳化得到二氧化锡/碳纳米纤维复合材料。然后利用葡萄糖水热法进一步在二氧化锡/碳复合材料表面包覆一层碳,最后在氢气氛围中将二氧化锡还原为锡得到锡纳米颗粒/碳纳米纤维的复合材料。通过改变二氧化锡凝胶膜的沉积次数n(n=5,10,15),可以调节复合材料中的锡含量。当n=15时,得到锡含量约为16 wt%的目标样品中,粒径为20-50 nm的锡纳米颗粒均匀地负载在由纤维素衍生得到的碳纳米纤维上。该材料成功复制了纤维素的三维网状结构,结合碳基质的缓冲作用,当其用作锂离子电池负极材料时,表现出优异的循环和结构稳定性,在100 mA g-1电流密度下循环200圈,比容量可以稳定保持在430 mAh g-1。该系列样品的循环可逆比容量随材料中锡含量的增加而增大。2.银纳米颗粒/二氧化锡/碳纤维复合纳米材料:利用表面溶胶-凝胶法将二氧化锡凝胶膜沉积在天然纤维素的纳米纤维表面,然后在氩气氛围中高温碳化得到二氧化锡/碳复合纳米材料。后以硝酸银为前体物,经光催化还原将银纳米颗粒沉积在二氧化锡/碳复合材料纳米纤维表面,得到银纳米颗粒/二氧化锡/碳三元复合纳米材料。通过改变硝酸银溶液浓度或浸泡温度可以调节材料中银纳米颗粒的含量,样品中的银纳米颗粒的负载量及密度随着硝酸银溶液的浓度增大或浸泡温度的升高而增加。该复合材料的多空网状碳骨架的缓冲作用、银纳米颗粒良好的导电性以及二氧化锡和碳的协同作用,使其作锂离子电池负极材料时,与二氧化锡/碳复合材料相比表现出增强的循环和倍率性能。其中银含量约为24.5 wt%的银纳米颗粒/二氧化锡/碳材料,在电流密度为100 mA g-1下进行充放电测试时性能最优,循环120圈后比容量保持在690 mAh g-1。总的来说,银纳米颗粒/二氧化锡/碳复合纳米材料的循环性能与样品中银含量正相关。3.铜纳米颗粒/二氧化锡/碳和镍纳米颗粒/二氧化锡/碳纤维复合纳米材料:在滤纸纤维表面经表面溶胶-凝胶过程沉积二氧化锡凝胶膜,后在氩气氛围中高温碳化得到二氧化锡/碳复合材料。以硝酸铜或硝酸镍为前体物,利用简单的湿化学还原技术在二氧化锡/碳复合材料表面分别修饰铜纳米颗粒和镍纳米颗粒得到相应的铜纳米颗粒/二氧化锡/碳复合材料和镍纳米颗粒/二氧化锡/碳的复合纳米材料。通过改变硝酸盐前体物的浓度可以调节复合材料中金属纳米颗粒的含量,且该含量与硝酸盐前体溶液的浓度呈正比关系。当复合材料用作锂离子电池负极材料时表现出良好的循环稳定性和倍率性能。这主要归功于从初始纤维素物质中继承的三维多孔结构有效地缓冲了循环过程中大的体积变化;同时金属纳米颗粒的存在不仅能加快电子的传输,且在脱锂过程中可逆地促进了 Li2O的催化分解,从而提高了电极的可逆比容量。4.银纳米颗粒/二氧化锰/二氧化锡纳米管复合材料:将通过表面溶胶-凝胶法制备的二氧化锡凝胶膜与滤纸的复合材料高温碳化为二氧化锡/碳复合纳米材料。然后以高锰酸钾为前体物,利用水热方法在二氧化锡/碳复合纳米纤维表面均匀包覆一层二氧化锰纳米片得到二氧化锰/二氧化锡/碳复合物,后将其在空气中煅烧除去碳组分得到纳米管状二氧化锰和二氧化锡复合材料。最后利用银镜反应对二氧化锰和二氧化锡复合材料进行银纳米颗粒负载得到银纳米颗粒/二氧化锰/二氧化锡复合纳米管材料。改变银镜反应时间可以调节样品中的银含量。该材料三维多空缓冲结构,结合由于银纳米颗粒良好的导电性及二氧化锰和二氧化锡的协同作用,使其作为锂离子电池负极材料时表现出优异的循环和倍率性能。其中,银镜反应2 min得到的样品,在电流密度为500mA g-1下进行充放电测试的性能最优,循环200圈后,比容量为387 mAh g-1。锡基材料,尤其是具有特殊结构的锡基纳米复合材料,是当今锂离子电池负极材料的研究热点之一。本论文以天然纤维素为模板或结构支架和碳源,采用自组装仿生合成策略制备得到了一些列锡基纳米复合材料。从而将锡基材料优异的电化学性能与天然纤维素物质独特的结构特征相结合。得益于纤维素模板的独特空间三维网状结构,使得该系列锡基纳米复合材料在用作锂离子电池负极材料时,表现出增强的结构稳定性和导电性,及显著提高的电化学性能。该工作表明自组装仿生合成技术是设计和制备功能纳米材料的有效方法,且在合成先进能源相关材料方面具有广阔的应用前景。