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锂离子电池由于具有高的能量密度,功率密度,长循环寿命而被广泛应用到人类生活的方方面面,但是现有的锂离子二次电池不能满足人们对于更长续航里程和待机时间的使用需求。提升锂离子电池正负极材料的储锂容量是提升电池能量密度最为有效的策略。硅、锗基负极材料由于具有超高的能量密度（硅:4200 mAh/g,Ge:1600 mAh/g）,较低的嵌锂电位（<0.5 V）,环境友好,被认为是最有发展前景的下一代锂离子电池负极材料。但是硅锗基负极材料由于嵌锂时会发生巨大的体积膨胀,导致颗粒发生粉化,活性材料与集流体脱落失去电接触,固体电解液界面膜（SEI）不能稳定生成,在不断的破裂和重建的过程中消耗了电解液和活性材料。因此,本论文主要围绕高比能、长寿命硅锗基锂离子二次电池负极材料的可控制备、纳米结构设计、表面包覆改性、电极储荷机理及器件构造等方面开展了深入的研究。（1）Ge/RGO/CNT复合材料用于锂离子电池储锂性质的研究:采用化学法制备了粒径为20nm的Ge纳米颗粒,并引入还原氧化石墨烯（RGO）和碳纳米管（CNT）构筑三维导电网络结构,提升Ge基负极材料的储锂性能。RGO具有丰富的褶皱结构以及较强的柔韧性可以缓解Ge在充放电过程中的体积膨胀,同时大π键的存在使石墨烯具有优良的电子导电性。酸化后的CNT含有丰富的极性官能团,与Ge-RGO结合,穿插在RGO的片层之间,不仅可以有效防止石墨烯堆垛,避免锗纳米颗粒团聚,同时三维导电网络结构可进一步提升电极材料整体的电子导电性。在0.1 A/g的电流密度下循环100圈,容量为863.8 mAh/g,容量保持率为70%。在1600、3200 mA/g电流密度下,容量分别为767.6、644.8 mAh/g,储锂性能得到显著提升。（2）TiO2/Ge纳米棒阵列/碳布柔性自支撑电极的可控制备及其储锂性质的研究:采用两步法制备了三维TiO2/Ge核壳纳米棒阵列/碳布柔性自支撑电极。水热法制备TiO2纳米棒直接生长在碳布基底上,随后采用磁控溅射法在TiO2纳米棒上溅射锗薄膜。TiO2作为支撑骨架不仅可以增加单位面积锗的溅射量,同时可以将充放电电压区间控制在0.01-1.0 V,使TiO2在首次嵌锂后原位形成LixTiO2,进一步提升电极的电子导电性。此外TiO2/Ge纳米棒之间的空隙可以缓解Ge在脱嵌锂过程中的体积膨胀。这种自支撑柔性电极无需粘结剂,导电添加剂,具有极高的可逆容量、优异的倍率性能和循环稳定性,在5.0 A/g的电流密度下循环600圈,容量可达700.3mAh/g,容量保持率为91%。（3）Si@TiO2特殊核壳结构空心纳米球的可控制备及储锂性质的研究:采用简单水解及镁热还原法制备了具有特殊核壳结构的纳米球,即Si纳米颗粒封装在TiO2空心球中。TiO2壳层可以显著提高材料的电子导电性及结构稳定性,并且TiO2空心球中丰富的孔隙结构可以缓解Si在充放电过程中的体积膨胀。在0.21 A/g及4.2 A/g的倍率下,可逆容量为1911.1 mAh/g和795mAh/g。在0.42 A/g倍率下循环100圈,可逆容量为804 mAh/g。电化学性能的提升得益于这种特殊的核壳结构设计,以及Si纳米颗粒和TiO2壳层的协同作用。（4）Si@C纳米纤维的可控制备及其储锂性质的研究:采用静电纺丝及镁热还原法制备一维Si@C纳米纤维,这种一维纳米结构表现出较高的可逆容量,优异的倍率性能及循环稳定性。电化学性能的显著提升主要是因为一维碳纳米纤维相互交错连接形成的导电网络提高了电极材料的电子导电性,碳纳米管纤维良好的机械性能,以及镁热反应产生的丰富多孔结构,缓解了Si在脱嵌锂过程中的体积膨胀,促进了电极过程动力学。在12.8 A/g的电流密度下,可逆容量为466.8 mAh/g;在0.1A/g电流密度下循环50圈,放电容量为908.5mAh/g,容量保持率为80%,在1.0 A/g电流密度下循环200圈容量为546.9 mAh/g。（5）树莓状Si@C纳米复合材料的可控制备及其储锂性质的研究:设计制备了满足硅300%体积膨胀率的介孔空心SiO2球,并采用熔盐镁热还原及多巴胺原位聚合热解制备了树莓状Si@C复合负极材料。空心多孔结构可以缓解Si在脱嵌锂过程中的体积膨胀;超薄壁厚大大减小锂离子和电子的传输路径;碳包覆层进一步缓冲Si充放电过程中的体积膨胀同时提高材料的电子导电性。当组装成锂离子电池时,表现出优异的循环稳定性,在0.5 A/g的电流密度下循环200圈容量为886.2 mAh/g;在2.0 A/g电流密度下循环500圈,容量为516.7 mAh/g。（6）高度石墨化碳包覆SiO复合材料的可控制备及其储锂性质的研究:以1-芘基甲基-甲基丙烯酸酯为碳源,低温调控热解制备了高度石墨化碳包覆SiO复合负极材料,并成功避免了SiC生成。组装成锂离子电池时,在0.05 A/g的倍率下充放电,首次放电比容量为2058.6 mAh/g,对应于库仑效率为62.2%。在0.1A/g电流密度下循环50圈,容量为1090.2 mAh/g,容量保持率为83.5%。在0.3 A/g倍率下循环500圈,容量为514.7 mAh/g。对复合负极材料进行预锂化,并且与LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2组装成全电池时表现出良好的循环稳定性,具有商业化应用前景。