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开发具有高能量密度、高功率密度和长循环寿命的锂离子电池对于电动/混合动力汽车的普及、便携式电子设备的更新换代以及可再生能源的利用等具有重要的意义。目前商用的锂离子电池的负极材料主要为石墨,其理论比容量仅为372 mA h/g,制约了锂离子电池性能的进一步提高,因此,发展具有更高比容量的负极材料至关重要。在室温下,Si和Ge的理论储锂比容量分别高达3579和1384 mA h/g,是最具发展潜力的大容量锂离子电池负极材料。然而,这类材料在锂离子嵌入和脱出的过程中通常伴随着超过300%的体积形变,容易引起电极材料粉碎,导致容量的快速衰减。同时,Si和Ge作为典型的半导体材料,其电导率较低,作为电极材料时倍率性能往往有待提高。本论文以抑制Si和Ge材料电极粉末化、提高Si和Ge电极的循环稳定性和大倍率充放电性能为目标,以制备类薄膜Si和Ge纳米材料为突破口,开展了材料的纳米结构优化设计、材料制备方法探索、材料结构、形貌和性能表征等几方面的研究,主要包括以下四部分内容：1.以一种低成本且高效的电化学方法制备了CuO纳米棒阵列电极,对其储锂性能进行了评价。所制备的纳米结构CuO电极表现出了稳定的循环性能和优异的倍率性能,说明了CuO纳米棒在锂离子电池环境中结构稳定。在100 mA/g的电流密度下循环80次后,CuO电极的可逆容量为790 mA h/g;在电流密度为1 A/g的情况下,电极首次可逆容量为635 mA h/g,且在100次循环后仍保持在540 mA h/go这部分工作为将CuO纳米棒阵列用作随后研究的Si、Ge电极的纳米结构集流体打下基础。2.在氢还原CuO纳米棒阵列得到的铜纳米棒织物结构上,利用PECVD方法沉积了磷掺杂非晶硅薄膜,并对其储锂性能进行了测试。所制备的三维纳米结构硅电极的循环性能和倍率性能均有较大的提高,在2和4 A/g的电流密度下循环80次后,其可逆容量分别高达2010和1790 mA h/g。3.以电子束蒸发方法制备了CuO/Ge核壳结构纳米棒电极。提出利用电池首次放电过程中的锂化还原反应将CuO纳米棒转化为Cu和Li20的导电混合物作为电极集流体的设想,并从实验上给予了验证,极大地简化了纳米结构集流体的制备工艺。电极呈现优异的循环稳定性和倍率性能,在1和2 A/g的电流密度下循环100次后,分别得到了高达1010和850mAh/g的可逆比容量。4.在泡沫镍衬底上制备了Co3O4/Ge核壳纳米棒电极,通过锂化还原反应将Co3O4还原为Co和Li2O的导电混合物,并作为电极的集流体,解决了CuO/Ge核壳纳米棒电极电压窗口过小的问题。Co3O4/Ge核壳纳米棒电极在半电池和全电池中均表现出优异的电化学性能。