近年来,电动汽车及多功能移动设备的发展使得更高性能的锂离子电池的研究成为迫切需求。就负极材料而言,商业化石墨材料由于容量低和倍率性能差等缺点,并不能满足高能量、高功率密度的锂离子电池的要求。在众多下一代负极材料中,锡基材料和碳酸盐材料因其容量高和成本低等优点备受关注。但是,这两类材料在实际应用中仍面临巨大的挑战。一方面,区别于传统的嵌入脱出储锂机制,材料在充放电过程中体积变化巨大,通常会造成材料主体结构以及SEI膜破坏,导致循环性能不稳定；另一方面,难以控制的合成使得材料大都呈现实心大块结构,造成其无法表现出良好的倍率性能。本论文通过合理的探究和设计,从纯相材料、复合结构及整个电极结构角度出发,采用简单易行的合成方法制备出了多种高性能的新型锂离子电池负极材料。通过研究材料的组成、结构、形成机理及电化学测试,揭示了不同结构在储锂性能方面的优势并提出了多种普适的材料及电极结构。基于新型FeCO3材料,利用经典的Ostwald熟化机理,本文制备了空壳微纳结构FeCO3-HMS,克服了块体FeCO3容量低的缺点。FeCO3-HMS呈现出由一维纳米纤维组成的中空结构,内部和壳壁分别为空心和多孔的构造。一维的纳米纤维和壳层有利于减少锂离子的迁移路径,同时内部空心体积及多孔结构对材料充放电过程中的体积膨胀起到了良好的缓冲作用。因此,FeCO3-HMS在50mA g-1下可以达到1000 mAhg-1的超高容量；在200 mA g-1的较高电流密度下,能够稳定循环200周并保持722 mAhg-1的可逆容量。为了得到更为良好的倍率性能,本文设计制备了超微Sn纳米颗粒镶嵌在富氮碳纳米片中的Sn@GCNS二维复合材料。在合成过程中,利用g-C3N4作为软模板和Sn颗粒的原位生长,成功将通常难以纳米化的锡基材料控制在2 nm尺度范围内,并将其嵌入在GCNS中。通过异位AFM观测发现,Sn@GCNS具有非常稳定的结构,在充放电过程中厚度未发生明显的变化,克服了Sn基材料体积膨胀大循环性能差的通病。利用温度控制合成了不同氮含量的材料,并探索出最优值为13.28 wt.%富氮含量,揭示了氮元素在提高导电和储锂能力方面的良好表现。Sn@GCNS在0.2Ag-1下容量高达835mAhg-1;在0.8 A g-1下可以稳定循环1000周,容量保持率高达85%,体现了稳定的循环性能及良好的倍率性能。为了得到大功率锂离子电池负极材料,高效地构造了层层整齐堆叠的电极结构。本文集中在大片石墨烯(LG)复合材料的设计,并利用接触面积大的特点实现了普适的刮刀涂布方法制备整齐堆叠电极。与小面积石墨烯(SG)形成的混乱排列电极结构进行相比,MnCO3-LG因为更易于与集流体面-面接触、堆砌,形成了层层堆叠的整齐结构。这种整齐堆积的结构产生了连续不间断的导电网络和离子传输通道,在高倍率条件下仍能保持非常高的电化学活性。由于MnⅡ化合价态的升高,所制备的MnCO3-LG电极在0.5 Ag-1电流下容量升至高达1350mAhg-1；在10Ag-1的超高电流密度下,容量仍能保持420mAhg-1;在1100周超长循环过程中,容量高达1000mAhg-1并未发现任何衰减。在展现了高容量、大功率和超稳定储锂性能的同时,MnCO3-LG整齐堆叠电极揭示了大面积石墨烯应用在锂离子电池领域的独特优势。本论文提出的多级空壳微纳结构、超微镶嵌模型以及整齐堆叠电极可以作为普适的结构应用在其他电池新型负极材料的合理设计中,同时其结构优势可以推广到不同的领域中,如能源转化和催化领域。