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锂离子电池具有很多的优点,比如高安全性能、高能量密度、循环寿命长、环境友好等而受到了人们的广泛关注,近年来已在笔记本电脑、移动电话、数码相机等电子产品以及家电、汽车、医用移植器件、系统芯片等不同的领域中得到了广泛的应用。正极材料、负极材料、隔膜和电解液等是锂离子电池必备的组成部分,它们共同决定了锂离子电池的储锂性能及安全性能。其中电极材料的性能决定了电池的能量密度和循环寿命,开发高性能的电极材料已然成为锂离子电池研究的热点。目前,普遍使用的商业化负极材料为石墨碳,虽然其具有电子电导率高、循环寿命长、成本低廉、安全性能好等优势,然而理论比容量仅为372mAhg-1,难以满足人们对高性能、高容量锂离子电池的需求,使得其应用受到了限制。过渡金属氧化物基负极材料的能量密度和比容量均高于石墨碳类负极材料,而且其来源丰富、制备简单,价格便宜,作为锂离子电池负极材料表现出了优越的电化学性能,被认为是锂离子电池电极材料的理想选择,近年来吸引了世界范围内众多学者们广泛的研究兴趣。然而这类材料在充放电过程中存在着严重的体积膨胀效应,从而会导致电极材料的粉化,使得活性物质从电极片上脱落下来,这样电极的容量会急剧衰减,稳定性能难以得到保障,影响锂离子电池的电化学性能。研究表明,材料的形貌、结构与性能之间有着非常重要的联系。本文从材料的组成和结构设计出发,通过多种方法制备出了一系列具有特殊形貌的过渡金属氧化物及其复合纳米材料,以提高其充放电比容量、电池的循环稳定性能及倍率容量,促进它在锂离子电池负极材料中有更广阔的应用和发展,制备的材料包括多孔的Fe2O3/ZnO复合纳米微球、MoO2/RGO复合纳米片、中空多孔的C0304纳米微球以及四方锥形的C0304纳米粒子等。这些材料具有特殊的形貌和结构特征,作为活性材料在锂离子电池负极材料中应用时均表现出了优异的电化学性能。本论文开展的主要工作内容和研究结果如下：1.以氯化铁,醋酸钠等化学药品为原料,采用一步水热法成功制备了Fe304纳米微球,该微球的平均粒径约为150nm。再以巯基化的Fe304、硝酸锌和均苯三甲酸为反应物,通过MOFs模板溶剂热反应结合高温热处理两步法制备了平均粒径约为400 nm,表面粗糙且多孔的Fe2O3/ZnO复合纳米微球。作为锂离子电池负极材料进行电化学性能测试,研究结果表明：Fe2O3/ZnO复合材料拥有较高的充放电比容量、稳定的循环性能和优越的倍率性能。在100 mA g-1的电流密度下循环60次后,其可逆比容量仍能稳定在～780 mAhg-1,循环库伦效率均维持在98%以上,显著高于纯的Fe203(390 mAhg-1)和ZnO (361 mAhg-1)单组份电极材料的比容量。Fe2O3/ZnO复合材料电化学性能的提高首先归功于Fe203、ZnO两种功能材料间的协同作用；其次,两种材料的复合可以有效的阻止单组份材料间颗粒的团聚；再次,MOFs模板法制备的材料具有多孔结构,增大了材料的比表面积,有效地缓解了因体积膨胀效应引起的结构破坏；另外,在充放电过程中,多孔材料有利于锂离子的嵌入和脱出,也有利于电解液的渗透。2.碳微球多采用水热碳水化合物(如葡萄糖、蔗糖等)的方法来制备的,由于制备方法简单且后续去除方法简单常被人们用来作为合成空心球的模板。本论文以直径约为100 nm的碳球为硬模板,以硝酸钴和2-甲基咪唑为前驱体,采用硬模板辅助及后续高温煅烧的方法合成了中空且多孔的C0304纳米微球,微球的大小较为均匀,平均粒径增至450 nm。以该材料为活性物质作为锂离子电池负极材料进行充放电性能测试时展现了优异的储锂能力和循环性能。在100 mAg。的电流密度下循环100次时,其比容量仍能保持在1003 mAhg-1。同时,我们也对比合成了用Co-MOFs做前驱体未添加碳球为模板的C0304纳米材料,该材料的形貌为均匀的棒状结构,棒长约为300 nm,长径比为4：1。后者的充放电比容量及循环性能远远不及前者。这要归功于用碳球为模板,MOFs作为前驱体制备出来的中空多孔结构有利于锂离子的传输,也缩短了电子从活性材料的内部传输到表面的距离。该实验过程可控且可以规模化生产,在新一代锂离子电池负极材料的开发和使用中具有潜在的应用价值。3.我们以一种常见的生活垃圾——绿茶茶渣作为碳源,通过在氮气保护下高温热处理的方法制得了碳材料；另外我们将绿茶茶渣作为生物质碳模板,将其对钴盐充分吸附后再高温煅烧除去模板,制得了均匀的四方锥形的C0304纳米颗粒。将上述生物质碳材料及C0304纳米材料作为活性物质制成电极片进行充放电性能测试,结果显示：该生物质碳源具有一定的比容量(～360 mAhg-1),且具有良好的循环稳定性。以绿茶渣为生物碳模板制得的C0304纳米材料在电流密度为100 mA g-1下循环100次之后仍具有～690 mAhg-1的放电比容量,同时,它也展现了良好的倍率性能和循环性能。该实验方法简单,原料来源广泛,成本低廉,可规模化生产,对其他类型的生物质生活垃圾的处理、变废为宝具有一定的指导意义,在锂离子电池方面具有潜在的应用价值。4.采用改良的Hummers’法成功制得了大片的有褶皱的氧化石墨烯(GO)溶液,将一定质量浓度的GO溶液和钼酸铵溶液混合均匀后,用冷冻干燥结合高温热处理的方法成功制备了还原氧化石墨烯/二氧化钼纳米片复合纳米材料。形貌表征结果显示,大片的有褶皱的石墨烯片层上(间)镶嵌着大小均匀、形貌规整的MoO2纳米小片。将该复合纳米材料作为负极材料进行充放电性能测试,结果表明电流密度为100 mA g-1,循环150次后,仍保持有～750 mA h g-1的放电比容量。该复合材料同时也表现出优异的倍率储锂性能。我们考察了电流密度分别为100、300、500、700、900 mA g-1下的倍率性能,结果表明随着电流密度的增大,其充放电比容量逐渐降低,当电流密度再次回到100 mA g-1时,容量又立刻恢复到原来的大小。良好的储锂容量和倍率循环性能主要归功于还原氧化石墨烯优良的导电性能,使得石墨烯基复合纳米材料较之用相同方法制备的纯的MoO2的电化学性能有很大的提升。