锂离子电池作为一种可充电储能体系,主要依靠锂离子在正负极间反复嵌入/脱出进行工作。目前其主要被广泛应用于家用电子产品特别是手提式电子设备上,并有望在不久的将来运用于电动汽车上。但是商业化锂离子电池的负极材料以石墨为主,其理论容量只有372mAhg-1,难以满足高能量领域的需求,因此具有更高理论容量的过渡金属氧化物负极材料成为当前研究的热点。在过渡金属氧化物中锰氧化物和铜氧化物因其较高的理论容量、价格低廉、毒性弱及储量丰富而受到人们的广泛关注。然而,此类氧化物有着与其它过渡金属氧化物相一致的缺陷,如导电性较差、材料体积膨胀大及结构稳定性低等。这些显著的缺陷导致了电极实际容量低、倍率性能差及循环寿命短。为了改善这些缺陷,本文选择MnO、Mn3O4和CuO为研究对象。通过引入碳纳米管(CNT),设计合成了一系列具有新颖形貌的复合物负极材料,大幅度提高了实际容量、倍率性能和循环次数。此外,我们对碳纳米管/猛、铜氧化物的制备过程进行了系统的研究,初步提出了该系列复合纳微米材料的生长机理以及对电池循环稳定性的影响。具体内容如下:1、利用两相法合成含有有机配体的Mn3O4纳米晶,在CNT骨架上自组装得到Mn304/CNT交联复合物,然后在N2氛围下进行热分解得到绒球状MnO/CNT复合微米球。由Mn3O4纳米晶还原形成的MnO纳米晶粒能够均匀地分散在CNT骨架上;同时,Mn3O4表面的有机配体发生碳化,所形成的碳薄膜层将MnO纳米晶粒与CNT紧紧包裹住。与简单的MnO纳米颗粒和CNT物理混合物相比,这种三维复合结构充分利用了各自组分的优点,在抑制颗粒团聚、增加孔隙率、提高导电性及增强机械稳定性方面更具有优势。基于MnO/CNT复合微米球的电极在0.1 A g-1电流密度下循环200次后比容量高达841 mAh g-1,即使在更高电流密度0.38 Ag-1下循环250次依然可获得741 mAh g-1的高容量。由此可知:CNT提供了骨架支撑作用可以有效分散MnO纳米颗粒避免其发生团聚,在反复充放电过程中可以保持结构稳定;CNT优异的导电性为电子传输提供了快速通道;复合物具有高孔隙率可以为电解液提供大量的扩散通道。2、以P123为表面活性剂通过简单的水热法成功制备了 CNT缠绕的Mn3O4八面体复合物。这种复合物中Mn3O4呈八面体结构平均尺寸为200-500 nm,其表面被CNT缠绕包裹并分散在CNT网络中。为了分析该复合物结构的形成原因,通过控制反应中是否添加P123或CNT另外合成了三种对比产物,即不规则Mn3O4、Mn3O4-P及Mn3O4-CNT复合物。通过比较发现,在形成CNT缠绕的Mn304八面体结构的过程中,不仅仅由P123作为结构导向剂诱导了 Mn3O4八面体的形成,而且CNT吸附锰离子于其上对形成均匀的Mn3O4晶核起到了不可或缺的作用,从而最终形成的复合物具有均一的形貌及良好的分散性。该复合物将八面体和CNT巧妙地结合在一起,具备了高性能电极所需要的特征,如快速的离子传输、优良的电导性及稳定的骨架支撑作用,因此与其他三种电极材料相比,该复合物电极的电化学性能显著提高,具有高容量、良好的倍率性能特别是较长的循环寿命。其在0.2 C倍率下循环200次后比容量仍在800 mAh g-1，即使在更高的倍率0.5 C下循环400圈后比容量仍维持在678.4 mAh g-1。3、在由十六胺和十六烷基三甲基溴化铵形成的液晶相介质中合成了超长铜纳米线和CNT的互穿网络结构。将该复合物进一步氧化得到了超长CuO纳米管与CNT的互穿网络结构,其可直接作为无添加粘结剂的电极。这种复合网络结构中CuO纳米管被CNT缠绕使得两者充分接触,不会随着充放电的进行而分散开,因而其充分结合了 CuO纳米管和CNT各自的优势,如:一维CuO纳米管可以提供更多电极/电解液接触面积,从而增加了反应活性位点;CuO纳米管的空心结构可以大大缩短锂离子的扩散路径;组成CuO纳米管的纳米粒子尺寸极小,有利于承受嵌锂/脱锂过程引起的体积变化;缠绕在CuO纳米管表面的CNT既大大提高了材料的导电性同时其弹性又有利于进一步稳固CuO纳米管的结构,因而有益于高容量的获得和电极循环稳定性的维持。该电极在0.2 C倍率下循环200次后可以获得高达557.7 mAhg-1的比容量,容量保持率达到98.4%。即使在0.5 C倍率下循环200次以内均保持在520mAhg-1以上。电极不仅具有良好的循环稳定性且同样具有良好的倍率性能,测试倍率从0.1增加至10 C,放电容量从631.6降至310.3mAhg-1,但在5C下获得的容量(385.5mAhg-1)依然高于商业化石墨。