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进入本世纪,低碳、电动成为时代主旋律,电动汽车的市场占有量和新能源发电的发电量正与日俱增,市场对于动力型和大规模储能型锂离子电池的需求量也不断增大,同时对电池的寿命、功率及能量密度等提出了更高的要求。负极材料是锂离子电池的重要组件,是决定其性能的关键因素之一。据此现状,本文致力于解决高堆积密度微米负极颗粒离子和电子传输困难和纳米负极材料堆积密度低、导电性差、循环稳定性差等关键科学问题,充分利用一维碳纳米管和二维石墨烯较高比表面积、优良的导电性,通过一步和多步法在颗粒内外设计、构建供锂离子和电子快速传导的通道,成功开发了具有高容量的含有“神经网络”型碳纳米管导电网络的二元碳酸锑锰微球复合负极材料和具有长-短程多级导电网络的高倍率、长循环性石墨烯包覆Bi@C-TiOx负极材料。主要研究内容如下:1、为优化提升MnCO3微球负极的电化学性能,本文通过溶剂热法原位锑掺杂和构建类似人体“神经网络”的碳纳米管三维导电网络的策略,有效解决了高堆积密度情况下离子迁移距离长而慢、导电性差和活性材料利用率低等问题。研究结果同时表明适量的锑掺杂有助于提升材料的综合性能,与MnCO3、Sb1/2Mn1/2CO3、Sb2/3Mn1/3CO3材料相比,所制Sb1/3Mn2/3CO3微球更大并且具有更均匀的分布,直径约3.57μm,同时其实用性和电化学性能得到明显改善。最终所获得的CNTs@Sb1/3Mn2/3CO3复合阳极分别以500和5000 mA g-1的电流密度充放电200次循环后,容量仍保持在1066和572mAh g-1,其远高于Sb1/3Mn2/3CO3所保持的737和297mAh g-1。2、铋（Bi）因其高体积能量密度,适当的工作电压和环境友好性,被认为是优异的锂离子电池负极材料之一。然而,Bi金属负极的导电性差并且循环期间的体积膨胀剧烈。为解决Bi负极面临的这一关键问题,本文通过表面工程策略,设计、构建了由超大面积石墨烯界面层包覆的Bi@C-TiOx微球负极。通过超大石墨烯和本文新开发的Bi-Ti-EG的碳化衍生物成功构建了三维（3D）远程导电网络,同时,借助于石墨烯界面的选择性通过的屏障作用,在Bi-Ti-EG双金属有机骨架低温处理过程中,限制金属Bi颗粒的不均匀析出,最终获得超细Bi纳米颗粒均匀弥散分布于C-TiOx衍生物体内的石墨烯包覆Bi@C-TiOx纳米复合结构负极材料。此外,3D碳网络和原位形成的TiOx与多孔结构相结合,起到软缓冲和硬抑制的作用,可缓解Bi在循环过程中的巨大体积变化,它们也是重要的电化学活性组分。由于上述由界面工程策略所带来的协同效应,新开发的超大石墨烯包覆的Bi@C-TiOx微球具有优异倍率性能和出色的循环稳定性,例如在1,2.5,5和10 A g-1的电流密度下,该材料的充电容量高达333.3,305.4,275和225 mAh g-1,在10 A g-1的电流密度下循环5000次,充电容量仍然保持在119.5 mAh g-1。上述实验研究表明,通过合理地设计、构建离子和电子的快速迁移通道,同时引入多层次应力缓冲机制,可以显著提升高堆积密度负极和金属负极的容量、倍率和循环稳定性。