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锂离子电池以其独有的高能量密度和功率密度被广泛应用于便携式电子设备,电动工具以及混合动力/电动汽车中。如果用电动汽车来代替目前绝大多数由汽油驱动的交通工具,那么将会大大减少大气中温室气体排放量。此外,锂离子电池的高能效也使其广泛的应用在如风能,太阳能,地热能等一些二次辅助能源领域上,这将有利于锂离子电池进一步应用和推广。由于锂离子电池具有着众多优点,目前无论在产业领域、政府资助机构还在相应的研究领域都对其产生浓厚的兴趣。然而从长远来看,锂离子电池仍存在着许多不足。目前以石墨为锂离子电池负极材料虽有着较低的对锂电位及优异的循环稳定性,但其低的比容量密度(372 mAh g-1)及低的锂离子扩散速率(10-9-10-10 cm2 s-1)越来越不能满足当今社会对高能耗、高功率用电器的需求。针对上述存在问题,多种具有高能量密度的锂离子电池电极材料被当今科研工作者相继开发研究。其中金属锡和铁基化合物以其均有着较高能量密度及较为合适的对锂电位被认为是最有希望成为下一代锂离子电池电极备选材料之一。然而金属锡和铁基化合物在充放电过程中,由于会出现活性物质流失及电极材料粉化失效等问题,导致整个电极电化学性能大幅度衰减,这将严重限制它们作为锂离子电池电极在实际中的应用。针对上述存在问题,目前主流的解决方法是引入第二组元与锡进行合金化以及将铁基化合物与碳进行复合,分别通过设计合理的相成分和构建合理的纳米结构来提高电极材料在循环中的能量密度和循环使用寿命。不同于以往湿法化学制备纳米粉体的方法,本文以直流电弧等离子法作为制备纳米粉体的主要方法,结合后续化学改性,设计制备Sn基合金纳米粒子和碳包覆Fe基化合物纳米粒子,分别通过构建物质相和纳米结构解决锂离子电池电极材料能量密度低、循环稳定性差的关键问题。主要研究结果如下:1.直流电弧法中复杂相的构建及电化学特性Sn基合金纳米粒子物质相的构建及其电化学行为(1)采用直流电弧等离子法,在氢气、氩气的混合气氛下分别制备Sn-Fe、Sn-Al、Sn-Ni、Sn-Cu和Sn-Mg双合金纳米粒子,所制备的合金纳米粒子均为类球形的核壳结构,粒径范围为40-200nm。通过热力学氧势理论及XPS测试技术定性分析Sn-Fe、Sn-Al、Sn-Ni合金纳米粒子表面氧化物物质成分。结合热力学吉布斯自由能分析Sn-Fe、Sn-Cu、Sn-Mg合金纳米粒子中内核金属间化合物稳定存在的原因。(2)由于活性组元FeSn2及惰性组元FeSn协同作用,Sn-Fe合金纳米粒子电极表现出最为优异的电化学稳定性,在首次充电过程中,其表现出75.7%的库伦效率(256.3 mA hg-1/338.4mA hg-1),在20次循环后,其可逆容量仍保持在227mAhg-1。Sn-Al合金纳米粒子电极由于Sn和Al都可以与Li+进行合金/脱合金化反应,导致在循环过程中发生双重体积膨胀加速电极粉化失效,使电极容量迅速衰减。Sn-Ni、Sn-Cu和Sn-Mg合金纳米粒子中由于主相金属间化合物(Ni3Sn4,Cu3Sn,Mg2Sn)受环境条件和测试条件等客观因素制约,使上述电极未表现出理想的电化学性能。综合电化学性能测试及后续阻抗谱测试,本文得出Sn基合金纳米粒子作为实际锂离子电池负极材料需要满足以下两个条件:1)需要引入惰性元素缓解活性组元在脱/嵌锂过程中发生的体积膨胀;2)体系中金属间化合物要有着可以与Li+进行有效可逆反应的条件。2.直流电弧法中复杂结构的构建及电化学特性(1)碳包覆Fe3N纳米结构构建及其作为锂离子电池负极材料储锂特性1)采用直流电弧等离子法,在甲烷、氢气和氩气混合气氛中蒸发Fe块制备碳包覆Fe纳米粒子前驱体,随后在含有氨气的环境中进行热处理,通过调节实验参数(反应时间、反应温度),最终得到碳包覆Fe3N核壳型纳米粒子。2)碳包覆Fe3N纳米粒子在作为锂离子电池负极材料表现出优异的储锂性能,首次充放电比容量为545 mA h g-1/675.8 mA h g-1,在500个循环后,其容量仍保持在385 mA h g-1。通过第一性原理及放电后XRD测试结果证实了 Fe3N放电产物为Fe和Li3N。通过交流阻抗谱得出在粒子表面碳层两侧双电容储锂机制。碳包覆Fe3N纳米粒子电极表现出优异的循环稳定归功于粒子表面起约束作用的碳层,它在缓冲内核Fe3N的体积胀缩以及提高电极载流子导通性中起到重要的作用。(2)碳包覆FeS2纳米结构构建及其作为锂硫电池正极电化学行为1)采用直流电弧等离子法,在甲烷、氢气和氩气混合气氛中蒸发Fe块制备碳包覆Fe纳米粒子前驱体,随后将Fe@C纳米粒子前驱体与S粉在无水无氧环境中混合均匀后放入真空管式炉中,经过热处理后,最终得到FeS2@C-S纳米粒子。粒子具有着典型的核壳结构,其表面为掺硫的碳层,内核为FeS2。通过Ar+分别对样品轰击0 s,5 s,10 s,15 s和20 s的XPS测试结果确定在碳层中存在一定数量的C-S键,并通过用第一性原理计算进一步确定[S]原子在单空位石墨烯吸附时最为稳定(-7.24 eV)。2)FeS2@C-S纳米粒子电极表现出优异的循环稳定性能和倍率性能。在0.5 A g-1的电流密度下,FeS2@C-S纳米粒子电极首次充放电比容量分别为1040/1370 mAh g-1,库伦效率为76%,经过300次循环后,其容量仍保持在862 mAh g-1。在分别以0.2 A g-1,0.5 A g-1 1.0 A g-1 3.0 A g-1和5.0 A g-1电流密度进行充放电时,其表现出的放电容量分别为:887 mAh g-1,735 mAh g-1,595 mAh g-1,370 mAh g-1 和 276 mAh g-1。在 10 A g-1超高的电流密度下,电极仍能表现出230mAhg-1的可逆容量,高出目前以LiCoO2/C为电极的商业化锂离子电池在实际应用中表现出的容量。电极表现出优异的电化学性能主要归因于具有双重约束的碳包覆FeS2核壳型纳米结构,其表面碳层作为空间约束层不仅很好的抑制聚硫化物流失,而且还为FeS2和Li2S提供必要的电接触,内核FeS2通过Fe-S化学键进一步抑制聚硫化物扩散溶解。