研究新型电极材料对于发展高性能的锂离子电池至关重要。硅材料因为较高的储锂容量和较低的储锂电位,成为电极材料理想的候选对象。但因为硅在充放电过程中发生明显的体积变化,锂电池的稳定性往往比较低。近年来,人们通过在硅中引入具有优异力学、电学和热学性能的碳纳米管,以提高锂电池的循环稳定性。但在复合材料中,碳纳米管无规分散,不能充分发挥二者的优异性能,因此提高的幅度远低于预期。本论文设计并制备了具有可控结构的取向碳纳米管／硅复合材料,具有优异的综合性能,可以获得高容量和高稳定性的新型锂离子电池。主要研究内容总结如下：首先,通过化学气相沉积法,合成了高度取向并可纺的碳纳米管阵列。然后,进一步通过干法纺丝,制备了取向碳纳米管薄膜。最后,通过电子束蒸发沉积技术,把硅沉积到取向碳纳米管表面,制备了取向碳纳米管／硅复合薄膜,复合材料中硅的含量通过蒸镀时间可以精确控制。研究发现,硅均匀包覆在碳纳米管表面,拉曼光谱和透射电镜表明硅主要为无定形结构。以取向碳纳米管／硅复合薄膜为负极材料,金属锂片为正极材料,LB303-六氟磷酸锂溶液(含量>99.3%)为电解质,微孔聚丙烯膜为锂离子电池的隔膜材料,组装了一系列锂电池。系统研究了复合材料组成、结构和厚度对电池性能的影响规律。结果发现,在研究的范围内,增加硅含量和复合膜厚度可以提高电容量。另外,取向碳纳米管／硅复合材料充分发挥了碳纳米管和硅材料的优点,有效克服了碳纳米管电容量低以及硅材料循环性能差的传统难题,如取向碳纳米管／硅复合材料的比容量大于2000mAh/g,并具有较高的循环稳定性。