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锂离子电池由于具有储能密度高、循环寿命长、自放电率低等优点，在现代社会生活中具有广泛的应用。社会的快速发展对电池的容量提出了更高的要求，其中的关键在于高比容量电极材料的开发。负极材料作为锂离子电池的重要组成部分，是最活跃的研究方向之一。目前广泛使用的碳负极材料具有循环性能稳定、成本低等优点，但材料的理论比容量较低，仅372mAhg-1;而在周期表中与碳同一族的Sn、Ge、Si具有极高的理论容量(Sn:990mAhg-1，Ge:1600mAhg-1，Si:4200mAhg-1)，可望大幅度提高电极的容量，受到人们广泛关注。与碳材料嵌锂的插层机理不同，这类材料的嵌锂反应机理为与锂形成合金，因而被称为合金型负极材料。但是由于形成合金前后体积变化巨大而导致电极材料结构破坏，因而循环稳定性差，严重限制了这类高容量负极材料的实际应用。通过与碳材料复合，利用碳缓冲充放电过程中的体积变化，是改善这类高容量负极材料循环性能的有效方法。传统化学方法在Si/C、Ge/C、Sn/C等复合材料制备中存在很大的局限性，通常需要多步反应，且对成分和颗粒尺寸控制较差。本文以高容量、高稳定性的Sn/C、Ge/C、Si/C复合负极材料开发为目标，针对传统化学方法在这类材料制备中的局限性，研制了独特的双等离子体反应装置，系统研究了基于等离子体技术的碳基二元复合材料的可控制备方法，显著改善了合金型负极材料的循环稳定性，并考察了材料的组分、颗粒尺寸、碳的形态对电极性能的影响。同时，论文工作进一步发展了等离子体制备技术，目前等离子体技术在材料制备中的应用大多局限于单一组分材料，而双等离子体反应方法使等离子体技术成功应用于二元复合材料。本研究分为四个部分： ⑴双等离子体反应器的研制及其对碳基二元复合材料组分调控的机理双等离子体反应器，由磁控溅射与电感耦合等离子体(ICP)线圈两个等离子体源集成在同一反应器组成。磁控溅射金属产生金属团簇，ICP分解烃类气体（CH4、 C2H2等）产生碳。它从空间与时间上将金属与碳的产生分隔开，使得金属在形成一定的颗粒之后与碳团簇复合，因而能获得相比传统方法颗粒更小更均匀的复合结构。通过调节磁控溅射功率，能够控制金属沉积速率;改变ICP线圈功率，能够改变烃类气体分解速率，影响气氛中碳的含量;改变烃类气体气流量，能够调节反应气中碳含量。因此，可以通过多方面因素来可控的调节产物的组成。 ⑵Sn/C体系的结构调控和储锂性能研究。利用双等离子体反应，通过磁控溅射产生Sn金属团簇，通过ICP分解CH4产生C，二者在沉积过程中复合，获得晶态Sn纳米颗粒均匀分散在无定形碳(a-C)中的复合纳米结构。这种碳包覆结构能够缓解Sn在充放电过程中的体积变化，并有效阻止Sn颗粒在充放电过程中的团聚，有利于电池循环寿命的提高。通过溅射功率、ICP线圈反应功率和CH4气流量等参数的调控，可以实现Sn、C比例以及Sn颗粒尺寸的连续调控，在此基础上系统研究了Sn/a-C复合材料结构与其电极性能的关系。碳含量的提高能够有效的减小Sn颗粒的大小，并能够明显的改善其循环稳定性和提高其可逆比容量。当Sn颗粒尺寸小于5nm时，Sn组分的可逆容量达到最大，接近于850 mAh g-1。更换石墨作为碳源，利用双等离子体反应能够获得具有石墨化结构的碳包覆的Sn纳米颗粒(Sn/g-C)。在相同的碳含量下，石墨化碳比无定形碳包覆效果更好，对材料的循环稳定性和可逆容量提升更高。 ⑶Ge/a-C体系的储锂性能研究。Ge有比Sn更高的理论容量和更快的锂离子传递速率，是一种极具潜力的高容量、快速充放电的锂离子电池负极材料。基于双等离子体反应方法，利用溅射产生Ge团簇，通过ICP分解CH4产生碳，实现了Ge/a-C复合结构的可控制备。相比于Sn/a-C体系，Ge/a-C体系中Ge颗粒发生了显著的非晶化现象，而碳的稳定效果得到了显著的增强，仅需引入12 wt％碳即可明显改善材料的循环稳定性和提高可逆比容量，这归因于Ge和C较强的化学相似性。在2000 mA g-1的大电流充放电测试下，100次循环后依然保持着将近1000 mAhg-1的容量，单个循环容量衰减率仅为0.02％。 ⑷Si/C体系的结构调控和储锂性能研究。Si具有最高的理论比容量，是广受关注的负极材料，但在等离子体环境中有活泼碳物种存在时很容易形成SiC，因此在形成Si/C复合材料时避免SiC生成是等离子体制备过程中的核心问题。策略之一是采用两个等离子体源交替工作的方式，避免体系中同时存在高活性的Si和C物种，得到Si/a-C夹层薄膜，通过改变沉积时间非常容易的控制每一层膜的厚度。研究结果表明，当Si层厚度小于20 nm时，100次循环后Si层可保持将近4000mAhg-1的可逆比容量，体现出显著的尺寸效应。另一个方法是使用固体石墨代替气态的CH4作为碳源，降低了碳物种的活性和扩散距离，能够有效的避免碳化硅的生成，获得石墨化碳与非晶Si纳米颗粒的复合结构(Si/g-C)。这种Si/g-C复合结构表现了良好的电化学循环稳定性，同时也有比较高的可逆比容量，表现了非常好的应用前景。