金属锂负极具有高的理论质量比容量、低的电极电势等优点被认为是最理想的负极材料之一,但是在循环使用过程中会因锂枝晶的生长而产生循环性能差和安全性差等问题。过渡金属氧化物同样因其具有高的质量比容量而被认为是一种非常有前途的负极材料,但是差的电荷和锂离子传输性能限制了它的应用。本文对三维网状结构电极电流密度、电势分布以及表面活性层厚度对电极充放电性能的影响进行了数学分析,并以三维网状金属作为集流体和支撑体,制备了三维网状结构的金属锂、NiO和Co₃O₄负极材料,以提高电极的充放电性能和倍率性能。三维网状结构的采用为高性能电极的制备提供了有效的途径。通过数学模拟发现,在仅考虑液相电阻以及线性极化控制时,电极过电势随电极厚度的增加而逐渐降低,并随厚度的降低电流密度和电势分布更加均匀。在中等以及强极化区得到相似的规律。当考虑固相电阻时,电极反应主要发生在电极的中部。在假设锂离子的固相扩散为主要的控制因素时,随着平面电极厚度的增加,电极充放电反应过程中活性物质的利用率降低,电极放出的比容量也将降低。采用电沉积方法在有机电解液体系中电沉积制备三维网状结构金属锂负极,并优化了沉积工艺。采用沉积电流密度为1 mA·cm-2,沉积容量为20 mA·cm-2以下电沉积制备三维网状金属锂负极。测试结果表明:以三维网状金属锂为负极的锂电池具有优异的循环性能和倍率性能,在4 mA·cm-2的电流密度下,其循环100次后的容量保持率仍在90%以上,而金属锂箔为负极的电池在相同的条件下,容量保持率则降至50%以下。三维网状金属锂电极所具有的高比表面积,能够降低电极表面单位面积上的真实电流密度,降低金属锂溶解/沉积的极化,抑制枝晶锂和死锂的生长,提高三维网状金属锂电极的充放电循环性能。采用固相氧化的方法以泡沫镍为集流体和金属源制备了三维网状NiO负极。结果表明:随着氧化温度的升高三维网状氧化镍的晶粒尺寸增大,小的晶粒尺寸能够降低首次不可逆容量损失。700℃条件下制备的多孔的结构有利于离子的扩散以及对体积变化的缓冲,增加表面有效反应活性位点,因此具有更好的电化学性能。三维网状氧化镍与二维的氧化镍薄膜电极相比具有更高的充放电容量以及倍率性能,研究表明NiO的反应机理为两步氧化还原反应。采用电沉积联合氧化法制备了三维网状Co₃O₄负极。沉积电流密度、温度以及氧化温度对产物的晶粒尺寸及表面结构有非常大的影响,进而影响电极的电化学性能。随着沉积电流密度的增加三维网状Co₃O₄的充放电容量呈增长的趋势。在800mA?m-2的电流密度下,能够以氢气的逸出制备出纳米多孔结构,其放电比容量达到1200 mAh·g^-1以上,35次循环后容量没有衰减。随着沉积温度的升高电极充放电容量呈现递增趋势,70℃时首次放点容量为1059.09 mAh·g^-1。随氧化温度的增加晶粒尺寸增大,小的晶粒尺寸有利于电化学性能的提高。采用水热氧化法在三维网状结构表面制备具有六角形纳米片颗粒的氧化钴层,其首次充放电容量分别为1138 mAh·g^-1和1589 mAh·g^-1。在10C倍率下的放电容量为533.3 mAh·g^-1,电极具有好的倍率充放电性能。通过电化学沉积联合氧化法在三维网状基体上构建了具有纳米片阵列结构的Co₃O₄层。电极首次充放电容量分别为1019.4 mAh·g^-1和1418.3 mAh·g^-1,45次循环后充电容量没有减小。电极在10C电极的充电容量为523.33 mAh·g^-1,为0.5C时容量的51.34%。互交联的薄纳米片结构能够降低锂离子的扩散距离,有效地缓解电极体积的膨胀,提高电极的充放电性能和倍率性能。同时研究表明Co₃O₄的反应机理为多步氧化还原反应。