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随着便携式电子产品和电动车以及混合动力汽车的发展,锂离子电池越来越受研究者和企业的重视。这是由于锂离子电池的诸多优点,如较高的工作电压、较大的能量密度、较长的循环寿命、较小的自放电率、无记忆效应及无污染等,相比于铅酸电池、镍镉电池及镍氢电池等二次电池具有较大优势。现今,工业应用的锂离子电池负极材料大部分为碳材料,其较低的容量越来越不能满足人们对能量密度的高需求。而过渡金属氧化物具有较高的理论容量,是具有应用前景的一类锂离子电池负极材料。但其作为锂离子电池负极材料具有体积变化大、产生颗粒团聚和导电性差等缺点,致使电极材料粉碎崩裂,导致电池的循环性能和倍率性能较差。解决上述缺点的策略包括制备特殊结构的材料(纳米结构或多孔结构)、掺杂以及与碳材料复合等。其中,与碳材料复合制备纳米结构的复合材料既可提高材料整体的导电性和锂离子传输能力,又可利用碳材料的缓冲和阻隔效果,减小体积变化和颗粒团聚以使电极保持完整。因此,本文通过热分解法制备了MnO/N掺杂C (MnO/N-C)的纳米复合材料；通过水热法和氩气保护气氛煅烧法合成了Co3O4多孔薄片/CNTs (Co3O4/CNTs)纳米复合材料；利用水热法合成MoO2纳米颗粒附着于CNTs外壁的复合材料；利用浸泡和热分解法制备纳米Fe3O4颗粒封装于CNTs内腔的复合材料。进而对上述材料的结构和组成做了详尽分析,测试了其作为锂离子电池负极材料的电化学性能,并通过对比实验证实了本文中所制备的材料在电化学性能方面具有优势。本文主要研究内容包括：(1)通过预处理和热分解醋酸锰和甘氨酸的混合物,制得MnO/N-C纳米复合材料,其中用甘氨酸作为碳源,是为了得到氮掺杂的碳。在样品MnO/N-C中,MnO纳米颗粒分散于膜状的碳基体中,其颗粒尺寸为10-20 nm。MnO纳米颗粒和碳基体形成松散的团絮状物。另外,不加甘氨酸,直接热分解醋酸锰制得MnO纳米材料,其颗粒尺寸为20-60 nm,纳米颗粒之间发生团聚。在100 mA g-1的电流密度下,循环150次后MnO/N-C和MnO的可逆容量分别是562和634 mAhg-1。表明MnO/N-C复合材料中C的加入使材料的比容量有所下降。然而MnO/N-C的倍率性能优于MnO。交流阻抗谱拟合结果显示MnO/N-C中N-C的加入提高了复合材料的电导率和锂离子传输能力。表明电导率和锂离子传输能力的提高对倍率性能的影响更大。(2)通过水热法和氩气保护气氛煅烧法合成了Co3O4/CNTs纳米复合材料,其中的Co3O4纳米薄片具有多孔结构,并且与CNTs缠结在一起,Co3O4纳米薄片的孔尺寸为20-80 nm。另外在制备过程中不加入CNTs,制得Co3O4多孔薄片作为对比样品。循环和倍率性能测试表明Co3O4/CNTs的循环和倍率性能优于Co3O4和CNTs。交流阻抗谱拟合结果显示CNTs的加入提高了复合材料的电导率,复合材料的锂离子传输能力也优于单一的Co3O4和CNTs。另外,CNTs具有一定的灵活性,可以在充放电过程中阻止电极材料的隔离和崩裂,从而达到电化学性能的优化。样品Co3O4/CNTs随循环次数变化的交流阻抗谱显示,其阻抗值先增大后减小,对应其循环比容量先减小后增大,从阻抗方面证明了活化现象的存在。循环后的SEM图显示了活化现象在结构上的原因。(3)通过在葡萄糖的辅助下的水热反应法制备了MoO2/CNTs纳米复合材料,其中葡萄糖作为还原剂和决定结构的表面活性剂。MoO2/CNTs中附着在碳纳米管表面的MoO2颗粒的尺寸为20-50 nm。在制备过程中不加入葡萄糖时,制备得到MoO3纳米带和CNTs的复合材料(MoO3/CNTs);不加入CNTs时,则得到团聚的MoO2纳米颗粒。循环和倍率性能测试表明MoO2/CNTs的循环和倍率性能优于MoO3/CNTs和MoO2。MoO2/CNTs纳米复合材料中CNTs的网络结构不仅提供了电子转移的连续长距离的路径,也作为附着在CNTs上的MoO2纳米颗粒的团聚以及体积变化的缓冲区,保持在嵌锂/脱锂过程中电极的完整性,最终得到较好的电化学性能。实验证明MoO2纳米颗粒和CNTs的复合可以有效提高锂离子电池负极材料的电化学性能。(4)利用浸泡和热分解的方法,将Fe3O4纳米颗粒装入CNTs中制得Fe3O4/CNTs复合材料,通过改变浸泡溶液的浓度,制得Fe3O4的质量分数分别为11.4%和32.1%的两个样品,分别记为Fe3O4-11/CNTs和Fe304-32/CNTs。样品Fe3O4-11/CNTs中大部分的Fe3O4纳米颗粒成功装入了CNTs的内腔中。而样品Fe3O4-32/CNTs中有大量的Fe3O4纳米颗粒附着在CNTs外表面。另外,选取本实验室制得Fe3O4纳米颗粒附着在CNTs表面的样品,Fe3O4-CNTs(1:3),作为对比样,讨论Fe3O4纳米颗粒位于CNTs腔内和外表面的优劣。样品Fe3O4-11/CNTs、Fe3O4-32/CNTs、Fe3O4-CNTs (1:3)和CNTs的电化学性能分析表明,样品Fe3O4-11/CNTs的循环和倍率性能最佳。可知,Fe3O4纳米颗粒装入CNTs空腔内对提高电化学性能是很有效的。这种Fe3O4纳米颗粒分散在CNTs腔内的结构,有利于充放电时,CNTs有效地限制颗粒的膨胀,且三维网络分布的CNTs可以有效地为电子和锂离子提供传输通道,如此,既保证了电极材料结构的完整性,又具有较好的电化学反应动力学条件。