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锂离子电池具有工作电压高、能量密度大、温度范围广、环境友好等优点,已成为新能源材料的主要研究方向之一。在锂离子电池负极材料中,商用碳材料电极的理论容量为372 mAhg-1,已不能满足日益增长的高容量、高功率的商业需求。锂锡合金的最大理论比容量为993 mAhg-1,比目前商业化的石墨负极材料的理论比容量高两倍多,被认为是锂离子电池碳负极材料最有希望的替代物之一。但是金属锡负极材料在充放电过程中,由于巨大的体积变化而容易导致电极的粉化,使活性材料与集流体之间的接触变差,造成循环过程中电极容量的大幅度衰减,限制了其商业应用。如果将金属锡电极材料制备成合理的纳米结构,可有效抑制嵌／脱锂过程中的体积膨胀,进而提高金属锡电极材料的循环稳定性及电化学性能。本文旨在系统研究金属锡、合金及其碳纳米复合结构的构建与表征,提高其嵌／脱锂电化学性能,探讨材料制备与性能相关的科学问题,为新型锡基纳米结构锂离子电池负极材料的研究与应用奠定基础。本文以直流电弧等离子体法作为纳米材料的主要制备方法,结合具体工艺与改性技术,有效地改善锡基材料的性能。本文主要研究结果如下：(1)单质锡及其合金纳米粒子的制备与性能采用直流电弧法,在氢氩气氛下原位制备的单质金属锡纳米粒子,其粒径为50-80nm,首次放电比容量为935 mAhg-1;由于单质金属锡在充放过程中体积膨胀所带来的电极结构的破坏,容量损失严重,4次循环后可逆比容量降为7 mAh g-1。为了缓解单质锡纳米粒子在充放电过程中体积膨胀,采取如下措施：一是引入了惰性元素(Fe.Cu)与金属锡形成金属间化合物；二是形成锡氧化物。Sn-Fe合金纳米粒子平均粒径为30～100 nm,其作为负极活性材料,首次嵌／脱锂电比容量为449/221 mAhg-1,50次循环后,可逆比容量降为11 mAh g-1;在Sn-Cu合金纳米粒子平均粒径为100～150 nm,其作为负极活性材料,首次放电比容量为416.50 mAhg-1,第一次循环后降为90 mAhg-1,容量衰减比较严重。以合金化纳米粒子缓解嵌／脱锂过程中的体积膨胀,其效果有限。氧化锡纳米粒子作为负极活性材料,首次嵌／脱锂比容量为907.50/315.90 mAhg-1,3次循环后可逆比容量降为47 mAhg-1。与单质锡纳米粒子电极相比较,其稳定性有所提高,但依然不能满足要求。(2)碳包覆锡基纳米粒子的制备与性能采用直流电弧法,在甲烷气氛下原位制备碳包覆单质锡纳米复合粒子,其结构为核／壳型纳米结构,为多壁碳纳米管部分填充金属锡的结构,管直径约为40 nm、管长200-300 nm,管壁约为5-7层。电化学测试结果表明,这种碳包覆Sn/C纳米复合材料电极首次嵌锂比容量为850 mAhg-1,15次循环后降为380 mAhg-1,循环稳定性得到明显改观。这是首次采用电弧法在富碳气氛中原位制备出Sn/C纳米复合粒子,为非催化活性金属组元在纳米尺度上的Sn/C复合开辟了新的路径。采用直流电弧法,在甲烷气氛下原位合成含催化活性组元(Fe)的Sn-Fe/C复合纳米粒子,其结构为核／壳型纳米结构,为碳包覆Sn-Fe合金纳米粒子,其电极的首次嵌／脱锂比容量为818/520 mAhg-1,50次循环后,可逆比容量仍保持为373 mAhg-1。以同样方法制备的Sn-Ni/C纳米粒子,其电极的首次嵌／脱锂比容量为362/193 mAhg-1,500次循环后,容量保持在150 mAh g-1左右。以同样方法制备的双活性Sn-Al/C纳米粒子,其电极首次嵌/脱锂比容量为476/212 mAhg-1,100次循环后,容量始终保持在125 mAhg-1左右；碳包覆锡基氧化物纳米复合粒子,其电极首次放电比容量为882 mAhg-1,20次循环后库仑效率都高达98%以上。这些碳包覆纳米复合材料与不含碳的纳米材料电极循环性能相比,普遍具有较高的稳定循环性能。(3)充分利用电化学阻抗法,深入研究了Sn/C及Sn-Fe/C纳米复合粒子电极的界面结构特性。由模拟阻抗谱及等效电路分析,确定了Sn/C纳米复合粒子电极的交换电流密度是单质金属Sn纳米粒子电极的交换电流密度的3倍,Sn-Fe/C纳米复合粒子电极的Li+扩散速率为Sn-Fe纳米合金粒子电极的5倍,表明碳的加入显著提高了电极的导电性能,有益于脱嵌锂过程中的电子交换并提高Li+扩散速率,进一步确认碳复合纳米结构是提高电极性能的一种有效途径。