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随着目前世界经济的迅速发展，能源危机与环境污染问题越来越严重，人们对节能和环保有了更高的要求。通过大型二次电池来调节利用可再生能源及推动新型电动汽车的规模应用以减少尾气排放而改善城市环境已成为国际社会的共识。锂离子电池现在已经普遍应用于移动电子设备，是目前性能最为优越的二次电池，可应用于大型的储能设备和新型电动车。面对这些应用的需求，面临的问题是如何进一步提高电池的能量密度。当前锂离子电池使用的石墨负极材料理论容量为372mAh·g-1，难以满足高能密度锂离子电池的发展需求，开发新型的高比容量锂离子电池负极材料成为当前的研究热点。最近大量新型高比容量负极材料为业界所关注，如合金类（硅、锡）、过渡金属氧化物（四氧化三铁、氧化钴）、过渡金属硫化物（二硫化钼）等，这些材料都能提供远超石墨的嵌锂容量，但是均存在着循环性能以及倍率性能的问题难以独立使用，目前的研究表明和碳材料进行复合是这些材料走向实用之可能途径。 基于此判断，本论文主要围绕高比容量的碳基复合负极材料展开研究，通过使用合适的碳材料并开发相应的合成方法来担载高比容量的负极材料，从缓解其体积变化和增强电子电导等方面来提高高比容量负极材料的综合性能，全文共分六章: 第一章简述了锂离子电池的发展过程、工作原理、负极材料的特点，包括碳材料的作用及其研究进展以及新型高比容量负极材料的缺点和改进方式。通过综合这些研究结果论证了采用碳材料复合对高比容量负极材料进行改善的可行性，并简述了本论文的选题依据和研究内容。 第二章采用硬模版法制备了四氧化三铁/多孔碳复合材料，这种方法综合了常用的碳纳米管复合、碳包覆和多孔结构控制等改性手段，显著提升了四氧化三铁材料的电化学性能。通过研究合成条件、比表亟、碳含量等方面的影响，对材料进行了优化，最终获得了循环稳定，具有良好倍率性能的四氧化三铁/多孔碳复合材料。该复合材料在5C的大倍率充放电条件下，容量仍保持在0.1C容量的70％以上，循环一百周容量几乎没有衰减。 第三章通过冻干的方法制备了具有自支撑结构的硅/石墨烯复合材料，形成了无需导电剂和粘合剂的电极片，可以有效提高复合负极的容量。通过对该复合材料进行研究发现电解液、石墨烯的比例、合成条件等都会影响材料的性能，在电解液中添加氟代碳酸乙烯酯(FEC)可以改善其循环性能;选择合适的硅与石墨烯比例可以使复合材料在容量和循环之间获得平衡;通过氨水调节pH可以使硅颗粒分散更均匀。经系列条件优化后，获得了性能良好的硅/石墨烯复合材料，其在0.1 C循环100周之后容量依然可以保持在1000mAh·g-1左右。 第四章主要内容为高温下控制硫代钼酸铵在碳纤维布表面分解得到硫化钼/碳纤维布复合物，这种复合材料有规整的形貌、特殊的自支撑结构，对研究提高这类负极材料的综合性能有重要的指导意义。结果表明升温速度、恒温温度、恒温时间等对最终得到的硫化钼/碳纤维布复合材料有显著影响，经过优化后的复合材料在0.1A·g-1的充放电倍率下循环90周容量依然保持在900 mAh·g-1以上，同比在1.5 A·g-1大电流充放电条件下还有接近450mAh·g-1的容量，展现了优异的电化学性能。 第五和第六章介绍了在美国布鲁克海文国家实验室一年交流期间完成的研究工作。第五章工作是用磺酸钠基团对蒽醌的改性研究，结果显示磺酸钠基团可以显著抑制蒽醌的溶解从而提高其充放电过程中的循环稳定性，此外还能带来热稳定性和放电电压平台方面的改善，为有机电极材料的制备提供了新的思路;第六章介绍了我们开发的一种新型的原位XRD技术以及用其研究钛酸锂的嵌钠机理的结果。这种技术简单方便，所得的谱图质量很高，对研究钛酸锂的嵌钠机理提供了重要的帮助，与常规的电池原位技术对比也确认这种方法的可靠性，可能成为一种重要的表征手段。 第七章总结了一下本博士论文的主要工作，展望了未来可能的研究方向，为今后的发展提出了建议。 本论文工作开发了多种新型复合负极材料及其合成手段，并通过条件优化使得这些材料获得了良好的性能，为这些负极材料的性能改性提供了更多的选择，也为制备其他高比容量负极材料提供新的思路。