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开发符合高容量、高能量密度以及高安全性能要求的锂离子电池电极材料是推动当前电子行业和电动汽车行业快速发展的关键性技术。具有高容量、适中嵌锂电位和对环境友好的Sn、Si基合金材料是理想的下一代高性能锂离子电池的负极材料。但是,此类材料在充放电过程中结构的不稳定性限制了其商业化应用。本文以开发设计高性能Sn、Si基合金材料为目的,通过新型球磨法制备了Sn-C复合材料,并在实验的基础上,采用有限元计算方法研究了不同尺度和不同包覆结构的Sn-C材料的结构稳定性;最后,开发了一种锂离子电池新型Si-B合金负极材料。首先,本研究采用本课题组自主研发的等离子体辅助球磨法制备Sn-C复合材料。该新型球磨方法在工作过程中特有的应力效应、等离子体轰击效应和热效应的协同作用,不仅可以使熔点仅为231.9°C的Sn被快速细化,且在热爆效应作用下与石墨层状结构保持相对完整的C有效复合。得益于Sn与C的微纳米复合,所制备的Sn-C复合材料拥有更小的比表面积,在首次放电过程中电解液在Sn-C电极表面沉积形成SEI膜消耗的Li+少;同时,纳米Sn相在充放电过程中的绝对体积变化小,C的包覆能有效缓冲其体积变化。因此,相比普通球磨,氩等离子体辅助球磨法制备的Sn-C复合材料表现出更高的首次库伦效率、可逆容量和更好的容量保持率。为进一步改善Sn基材料的循环性能,我们在氩等离子体辅助球磨法的科学经验基础上,开发了氧等离子体辅助球磨一步法制备具有双层包覆结构的Sn@SnOx/C复合材料。该Sn@SnOx/C复合材料具有被非晶-纳米晶SnOx原位包覆的纳米Sn颗粒分散在C基体的复合结构。首次放电结束后,SnOx层转化为刚性的Li2O层,该结构有效地缓解了Sn的体积膨胀。得益于双层包覆结构在循环前后的优异的稳定性,Sn@SnOx/C复合材料具有优于Sn-C复合材料的容量保持率,其中Sn@SnOx/C50复合电极100周循环后容量保持395.7 mAh/g。通过有限元计算模拟了Sn-C电极中Sn嵌锂发生塑变形后的应变、位移以及对应的体积膨胀率,并结合实际的实验结果,阐述了Sn-C电极中Sn的容量衰减以及Sn晶须的形成生长机理;最后,对Sn-C复合材料进行了结构优化设计。计算结果表明Sn完全嵌锂后,Sn-C复合电极中的最大的位移形变在Sn与基体的接触面,Sn颗粒越小,其嵌锂后的膨胀位移越小,对C基体的破坏也越小;此外,Sn表面包覆刚性层Li2O可以有效抑制Sn的体积膨胀。因此,具有双层包覆结构的Sn@SnOx/C比单层包覆结构的Sn-C材料的电极结构更稳定,材料中Sn的容量保持率最高。开发了一种新型的锂离子电池Si-B合金负极材料体系。本文以磁控溅射法制备的Si1-xBx（0.071≤x≤0.950）薄膜为研究对象探究B含量对Si基材料的结构和电化学行为的影响。XRD结果显示所制备的Si1-xBx薄膜由非晶Si和非晶B组成,其中Si在充放电过程中均为活性相,B均为非活性相。Si1-xBx电极的容量随B含量增加减少,但其嵌脱锂特征表现与纯Si薄膜的特征相一致。与Si-M金属薄膜电极类似,活性相Si在嵌锂时与非活性相B之间的应力作用引起的Si1-xBx薄膜电极的应力-电压耦合现象,其平均嵌/脱锂电压随着B含量的增加分别向低电压/高电压偏移,偏移率分别为-0.040和0.141。但相比其他Si-TM（过渡金属）体系,Si1-xBx薄膜电极的平均嵌锂电压偏移率较小,Si的容量释放截断少,当x=0.8时,仍释放出1170 mAh/g的可逆容量。基于薄膜研究的结构,我们采用机械球磨法获得了非晶态的Si1-xBx复合粉体材料,B的加入有利于Si-B粉体材料的非晶化过程。采用混合商用石墨涂片后再压制的工艺制备的Si1-xBx粉末电极,其中Si0.40B0.60表现出最佳的综合电化学性能:其首次库伦效率为80.9%,体积比容量为1702 Ah/L,具有优异的循环性能,在0.2 C放电倍率下50周循环相比第一周容量保持率达96.9%;按照电池堆层模型理论,Si0.40B0.60电极的堆层能量密度相对石墨电极可以提高30%,是理想的锂离子电池硅基合金负极材料。