负极是锂离子电池的一个关键组成部分,极大地影响着电池的电化学性能。目前商用的负极材料主要是石墨,其比容量较小,制约了电池能量密度的提高。硅、锗材料因为具有极高的理论比容量,被认为是一类有潜力替代石墨的负极材料。然而,它们在充放电过程中有巨大的体积变化,往往会碎裂、失去电接触,导致电池容量快速衰减。研究发现,具有纳米结构的Si、Ge材料可以显著改善电极的循环稳定性,获得良好的倍率性能。本论文以Si、Ge负极材料作为研究对象,致力于提高Si、Ge电极的循环稳定性能,通过纳米结构集流体和纳米结构活性材料的设计、制备及其它们电化学储锂性能的优化,并结合有机材料表面包覆等,显著提高了Si、Ge电极的电化学性能。所开展的主要工作和获得的主要结果有:1.采用电化学刻蚀在泡沫铜骨架上制备出Cu(OH)2纳米柱阵列,H2热还原后得到的Cu纳米线均匀覆盖在整个泡沫铜骨架上,构成了理想的三维纳米结构集流体。利用等离子体化学气相沉积、电子束蒸发在所制备的集流体上分别包覆了Si、Ge材料,制备出Cu纳米线支撑的Si、Ge纳米结构电极,并对它们的电化学性能进行了测试分析。实验表明,两电极均展现出优异的循环稳定性和倍率性能。Si纳米结构电极在2 A/g的电流密度下循环80次后,比容量仍高达2003mAh/g,在10 A/g的大电流密度下,依然有1470 mAh/g的比容量。Ge纳米结构电极在2 A/g的电流密度下循环200次后,比容量保持为844 mAh/g,在10 A/g的电流密度下依然有758 mAh/g的比容量。2.通过电子束蒸发在CuO纳米柱阵列上包覆Ge,用旋涂方法在Ge表面包覆PEDOT:PSS,制备出PEDOT:PSS包覆的CuO纳米柱支撑Ge纳米结构电极。通过限制充放电电压,使CuO在首次放电之后转变为具有良好导电性的Cu/Li2O,并与铜箔基底一起构成纳米结构的集流体。电化学性能测试表明,此结构的电极具有优异的倍率性能和循环稳定性。在2 A/g的电流密度下循环1000次后,电极依然有640 mAh/g的比容量。优异的循环稳定性归因于Cu/Li2O-Ge核壳纳米柱结构以及与表面PEDOT:PSS包覆的协同作用。PEDOT:PSS包覆显著增强了纳米结构Ge的机械强度,进而提高了电极的循环稳定性能。