锂离子二次电池作为新一代储能器件,具有长循环寿命、高能量密度和高功率密度等特征,广泛应用于电子产品、电动汽车和大规模储能等领域。但是目前商用锂离子二次电池的能量密度受限于较低的正负极材料放电容量,已经不能满足人们对高能量密度电池日益增长的需求。金属铝负极拥有993 mAh/g的理论容量,远远超出现有商品化石墨负极材料(372 mAh/g),有望极大程度提高锂离子电池的能量密度。与此同时,金属铝具有储量丰富、价格低廉等优势,使其有望成为最具潜力的新一代锂离子电池负极材料。然而由于铝基负极在脱嵌锂的过程中会发生巨大体积变化而导致电极结构破坏,金属铝表面致密的氧化层会阻碍锂离子和电子的快速传输等缺点。构建特定的微纳结构已被认为是提高铝负极循环性能的有效解决手段,但由于金属铝的高化学活性和高还原电势,其有序纳米结构的制备一直是个巨大挑战。针对以上问题,本课题发展了一种液相还原方法制备铝的多级纳米结构,通过调控温度、铝盐种类、溶剂和配体等一系列反应参数,实现了铝纳米结构的低温自组装合成。在此基础上构筑了铝纳米片与碳纳米管的复合结构,并研究了该材料作为锂离子电池负极材料的放电容量和循环性能。研究工作取得了以下主要创新成果:1.通过对液相合成铝纳米结构反应动力学的研究发现:(1)在乙二醇体系中发现了一种简易制备非溶剂化氢化铝的方法,并且随着温度的升高,氢化铝会逐渐分解产生单质铝和氢气,当温度升高到180℃,可以制备得到纯相的单质铝。(2)在三甲苯体系中,氧可以选择性吸附在铝的(111)晶面上,在氧气辅助的作用下,则更易形成(111)晶面暴露的花状铝多级纳米结构;而胺配体中氮原子上的孤对电子会与缺电子的铝原子形成强烈的吸附作用,从而更易形成没有取向性的铝纳米颗粒。(3)由于乙酰丙酮铝(Al(acac)3)相对于AlCl3具有更高的反应阈值,所以向体系中加入适量的Al(acac)3可以降低反应活性;在140℃和氧气辅助的条件下,AlCl3和Al(acac)3的摩尔比为4:1时,可以得到均一的花状铝多级纳米结构。2.通过一锅法制备得到了碳纳米管-铝多级纳米复合结构。一方面,这种(111)晶面暴露的铝多级纳米结构具有大的比表面积和强的抗氧化性;另一方面,随着碳纳米管的引入,体系的导电性进一步提高。所以这种碳纳米管-铝片复合结构可以作为锂离子电池负极并且表现出优异的倍率性能和循环稳定性,其在1 C的倍率下循环500圈后,比容量可以达到1107 mAh.g-1,并且在5C、10C和20C的大倍率下,其依然具有较高的比容量。第一性原理模拟计算结果表明,这种(111)晶面暴露的纳米铝片相对于面心立方的体相铝而言,具有更低的锂离子迁移能垒和更好的力学性能,因此表现出优异的倍率充放电能力和循环稳定性。