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随着科学技术和人类社会的快速发展,人们对锂离子电池的性能要求越来越高,然而,现在商业化主流的产品性能还不能满足人们的期望。目前,阵列化纳米结构电极是锂离子电池领域的一个研究热点,引起人们的广泛关注。与传统的平板电极相比,阵列化纳米结构电极能够在锂离子嵌入-脱出的过程中为电极活性材料提供体积变化的缓冲空间,具有更快的电子和离子运输速度,还能够显著增加活性材料对于衬底的附着力；在使用的过程中,也不需要额外添加导电剂和粘结剂。因此,阵列化纳米结构电极具有优异的电化学性能,尤其是大电流充放电性能,被认为是新型锂离子动力电池的理想选择之一。本文提出基于无模板的方法制备阵列化纳米结构电极的新方法和新思路。相比于以往传统的模板法,无模板法实施起来更为简洁省时,也更为经济高效。实验采用浸渍法、水热法、电压控制、热还原等方法,在金属集流体衬底上,原位生长了Ag纳米片状阵列、Ag纳米颗粒阵列、CoO纳米线阵列、NiO纳米片阵列和Co纳米线阵列；在此基础上,通过射频溅射,制得Ag-Si、Ag-Ge、Ag-Co3O4、 Ag-NiO核壳结构纳米片阵列,Ag-Si、Ag-NiO核壳结构纳米颗粒阵列,CoO-Si核壳结构纳米线阵列,NiO-Si核壳结构纳米片阵列,和Co-Ge核壳结构纳米线阵列。实验表明,这些复合纳米结构电极均表现出了优于传统平板电极的电化学性能。本文的主要创新点如下：(1)采用一种简单易得的浸渍法,利用衬底作为还原剂,通过和溶液的置换反应,在金属铜衬底上可控生长出Ag纳米片状阵列以及Ag纳米颗粒状阵列,并把这两种阵列结构应用于锂离子电池,可以作为一种通用的活性材料支撑结构。(2)基于Ag纳米片状阵列,采用射频溅射的方法,制备了Ag-Si、Ag-Ge、 Ag-Co3O4、Ag-NiO四种核壳结构纳米阵列电极。由于独特的结构优势,这些阵列化纳米结构电极均表现出了较为稳定的循环性能。在0.2 C的电流条件下,Ag-Si电极经过400次充放电循环,比容量为1679mAh g-1; Ag-Ge电极在30次循环以后,比容量在839 mAh g-1; Ag-Co3O4电极在30次循环以后,比容量是720mAhg-1; Ag-NiO复合电极100次充放电以后,容量大约800 mAh g-1。基于Ag纳米颗粒状阵列,采用射频溅射的方法,制备了Ag-Si和Ag-NiO两种核壳结构纳米阵列电极。Ag-Si复合纳米颗粒状电极经过50次充放电以后,比容量仍超过1600 mAhg-1,高于平板硅电极的500 mAh g-1; Ag-NiO复合纳米颗粒状电极经过100次充放电以后,容量大约保持在500 mAh g-1,也高于同样测试条件下,平板NiO电极的比容量(低于100 mAh g-1)。(3)采用水热法与射频溅射法,制备了CoO-Si和NiO-Si氧化物-硅复合纳米结构电极。在作为锂电池负极的电化学测试中,利用氧化物与Si脱锂电位的差异,通过控制电压,使氧化物作为支撑结构只参与第一次嵌锂反应。上述纳米结构复合电极与平板集流体支撑的硅电极相比,表现出更加优良的循环稳定性。在0.2 C的电流条件下,经过200次充放电之后,CoO-Si电极还能够保持1811mAhg-1的质量比容量,NiO-Si电极在100次循环以后还能保持大约1940 mAh g-1的质量比容量,而平板硅电极的容量则在20次循环以后就跌到430 mAh g-1左右。(4)通过水热法合成的CoO纳米线阵列为前驱体,进一步用H2/Ar还原得到Co纳米线阵列,再通过射频溅射包覆Ge,制得Co-Ge核壳结构纳米线阵列。这种核壳结构纳米阵列电极在0.2 C的电流条件下,经过100次充放电之后,比容量是1535 mAh g-1,在5C的电流条件下,仍能表现出1239 mAhg-1的比容量。