动力电池和储能电池是未来锂离子电池应用的重要方向,开发高安全性、高能量密度、长寿命和低成本的锂离子电池正负极材料,已成为锂离子电池研究的一个关键目标。而将纳米技术应用于高效储能特性电极材料的研究和开发,是实现这一目标的重要途径,并取得了较大进展。相对于体相电极材料,纳米电极材料具有较大的比表面积和较高的反应活性,这有利于电解液与电极之间的充分浸润,有效缓解充放电过程中电极材料的体积变化,同时极大增加了电化学反应的接触面积,缩短了锂离子和电子的传输距离,显著提高了电极材料的高倍率性能和长循环寿命。但纳米电极材料同样存在一些不足之处：(1)在扩大与电解液接触面积的同时也增加了电极材料与电解液之间的副反应,造成不可逆容量损失变大；(2)循环过程中易发生纳米电极颗粒团聚,破坏电极结构,影响循环性能；(3)相对于微米级电极材料,纳米电极材料制备工艺通常较为复杂,生产成本较高等。因此,针对以上这些问题,本论文的主要研究内容为改进和探索纳米电极材料制备技术,简化制备工艺及降低成本,设计与合成具有三维多孔结构、纳微复合结构的新型电极材料,使其兼具纳米和微米电极材料的优点,进一步提升电极材料的循环性能和倍率性能。在第一章中,论文简要介绍了锂离子电池的工作原理,并对几种主要的正极材料、负极材料、电解液进行了概述；重点阐述了纳米技术和纳微结构电极材料对锂离子电池发展的重要性和必要性。第二章介绍了本论文中使用的实验试剂、实验仪器、材料结构形貌和电化学性能表征的方法及锂离子扣式电池的制作流程。在第三章中,首次设计、搭建了新型封闭式静电喷雾沉积装置,该装置可在惰性气氛或反应气氛下进行薄膜材料的制备,不仅可直接制备易被氧化的金属氧化物或碳基复合薄膜材料等,而且有效地避免了由于沉积衬底氧化带来的负面效应。利用此装置在两种不同的沉积衬底上(泡沫镍、不锈钢片)成功制备了三维多孔结构的MnO薄膜负极材料,均获得了较好的循环性能,其中以泡沫镍为沉积衬底的MnO@Ni薄膜电极不仅具有较高的首次库伦效率(83.9%),较低的首次不可逆容量损失(14.2%),并且获得了优异的循环性能(955mAh/g@0.1C,50次)和倍率性能(498mAh/g@1.6C)。此外,验证了新型喷雾沉积装置在避免沉积衬底氧化方面的效果,证明了三维多孔结构的电极材料相对于体相材料在电化学性能上的优势。在第四章中,为改善MnO薄膜电极中无导电剂的不足,利用新型封闭式静电沉积装置将导电性良好的多壁碳纳米管(MWCNT)引入到MnO薄膜电极中,成功制备了三维多孔性的MnO/MWCNT复合薄膜电极,系统研究了MWCNT的复合含量对薄膜电极形貌结构和电化学性能的影响。结果表明,MWCNT的引入会减弱沉积过程中带电雾滴之间的静电排斥力,破坏MnO薄膜原有的三维多孔结构,且复合含量越高,薄膜结构变化越明显,同时过量的MWCNT会对复合薄膜电极的电化学性能产生不利影响。经优化,MWCNT复合含量为5wt%薄膜电极既维持了三维多孔结构,又获得了较好的循环性能(588mAh/g@1C,100次)和倍率性能(373mAh/g@5C)。在第五章中,以MnO@Ni和MnO/MWCNT薄膜电极的制备为基础,进一步沿用新型静电喷雾沉积装置合成了MnO/RGO复合薄膜电极,并系统考察了RGO复合含量对薄膜电极形貌结构和电化学性能的影响。结果表明,复合一定量RGO (16.58wt%)的MnO薄膜电极可以避免出现类似于MWCNT对薄膜结构破坏的问题,获得了与MnO@Ni薄膜类似的三维多孔结构,同时兼具良好的电子导电性,使得MnO薄膜电极的循环性能(772mAh/g@1C,100次)和倍率性能(425mAh/g@6C)得到进一步提升。在第六章中,进一步沿用静电喷雾沉积技术,将静电喷雾雾化原理与溶液沉淀反应机理结合起来,设计搭建了相关的实验装置,提出了一种制备纳米材料的新型方法,即静电喷雾-沉淀法。利用这一合成方法,探索制备了MnO纳米负极材料,研究了不同反应剂(Mn(Ac)2·4H2O)浓度对MnO粉体结构形貌和电化学性能的影响。结果表明,随着反应剂浓度的增加,MnO纳米粒子逐渐长大,并出现部分团聚,其中反应剂为较低浓度0.01M时,得到了粒径最小(120nm)的单分散纳米MnO粉体,同时获得了相对较好的循环性能(766mAh/g@0.25C,95次)和倍率性能(448mAh/g@3C)。在第七章中,发展了一种简单的低温液相合成方法-催化模板法,在不使用外加表面活性剂的条件下,合成了具有棒状或蒲公英状的Cu(OH)2和CuO粉末样品,研究了Cu(Ac)2溶液参加反应的体积量对Cu(OH)2和CuO结构形貌的影响。结果表明,在V(Cu(Ac)2):V(NaOH)=4:10条件下合成的蒲公英状CuO负极材料表现出较高的倍率容量(511mAh/g@4C)和较好的循环稳定性(587mAh/g@0.2C,50次)。同时验证了纳微复合结构的电极材料在提升电化学性能方面的优势。根据第七章中纳微结构CuO在电化学性能上的优势,在第八章中利用一种简便的醇解法制备出了单分散的纳微结构α-Fe2O3颗粒,并考察了反应剂乙酰丙酮铁(Fe(acac)3溶液浓度对α-Fe2O3结构形貌的影响。其中由0.02M反应剂制得的花状纳微结构α-Fe2O3具有较大的比表面积(33.65m2/g)和较小的颗粒粒径(-3μm),表现出了较好的电化学性能,在0.2C下,40次循环后容量保持率为88.5%,4.7C下倍率容量保持率为55%(均以第二次循环放电比容量为标准)。第九章对本论文研究工作的创新之处和不足之处进行了总结,并提出了未来研究工作的重点。