由于具有质量轻、能量密度高、安全性好、使用寿命长、无记忆效应、环境友好等特点,锂离子电池被广泛应用到各种便携式电子产品当中,而且近几年随着锂离子电池做为动力电池在电动汽车上的使用,人们对锂离子电池的能量密度、功率密度和使用寿命都提出了新的要求。锂离子电池容量性能很大程度上取决于电极材料的性能,因此开发性能更优异的正负极材料是目前研究的热点。目前商业化的负极材料石墨理论容量（372 mAh g-1）较低,限制了锂离子电池的发展和应用。过渡金属氧化物Co₃O₄材料具有较高的理论比容量（890 mAh g-1）,近些年来被广泛的研究。本论文以Co₃O₄材料作为研究对象,以提高锂离子电池的能量密度、循环性能和倍率性能,尤其是大倍率下的循环稳定性能为目的。通过对Co₃O₄纳米材料的形貌结构进行设计,并探讨几种掺杂和复合的改性方法对其电化学性能的影响。本论文的具体研究内容如下:（1）使用水热方法和后续煅烧在Ti片合成出草状Co₃O₄纳米线阵列。所合成草状Co₃O₄纳米线阵列均匀的覆盖在Ti片上,呈无定向生长,纳米线直径为70-100 nm,长度为9μm左右,纳米线由5-10 nm的Co₃O₄小颗粒组成,呈多孔结构。草状Co₃O₄纳米线阵列表现出优异的倍率性能和循环性能,在电流密度为500 mA g-1下,循环性能稳定,经过100次循环后,可逆比容量高达1031 mAh g-1;在大电流密度为5000 mA g-1下,仍能保持有613 mAh g-1的比容量。草状Co₃O₄纳米线阵列具有优越的电化学性能可以归功于Co₃O₄纳米线和集流体之间快速的电子传输,良好的接触和多次循环之后形成的稳定交联结构。（2）采用化学浴的方法将Co₃O₄纳米线中部分Co₃O₄硫化为CoSx,从而合成出CoSx/Co₃O₄复合纳米线阵列,所掺杂的CoSx均匀分布在所合成的纳米线材料中。研究表明CoSx/Co₃O₄复合纳米线阵列表现出更加优异的倍率性能:在10和20 A g-1电流密度下,CoSx/Co₃O₄纳米线阵列表现出较高的比容量,分别可达458和388 mAh g-1,高于同电流密度下的Co₃O₄纳米线阵列的比容量（349和174 mAh g-1）。通过EIS测试可以推断CoSx/Co₃O₄复合纳米线阵列优越的倍率性能主要归功于CoSx的引入提高了阵列电极的电子导电性。（3）通过氧化阳离子聚合反应在所合成的草状Co₃O₄纳米线表面包覆一层导电高分子聚吡咯（PPy）,合成出Co₃O₄@PPy核壳纳米线阵列材料。PPy包覆层的厚度为10 nm左右,含量为15 wt%,以无定形状态存在。该核壳纳米线阵列材料表现出优异的电化学性能,在电流密度3 A g-1条件下,Co₃O₄@PPy核壳纳米线阵列能够维持稳定循环,500次循环之后可逆比容量高达700 mAh g-1,在非常高的电流密度20 A g-1下,仍然表现出470 mAh g-1的比容量。这一优异的电化学性能跟PPy包覆层的作用密不可分。PPy包覆层的引入能够增强草状Co₃O₄纳米线阵列的电子导电性,有利于倍率性能的提升;同时PPy包覆层能够有效的缓解循环过程中Co₃O₄纳米线的体积变化对阵列电极结构的破坏,保持阵列电极的结构稳定性,从而提高阵列材料的循环稳定性。（4）通过一种简单的氢气还原步骤,将草状Co₃O₄纳米线阵列还原成为Co-CoOx复合纳米线阵列。氢气的还原过程可以在Co₃O₄纳米线内部原位引入金属Co单质,同时还原之后的纳米线保持完好的阵列结构,与集流体之间依然紧密接触。基于所构筑的特殊结构,Co-CoOx复合纳米线阵列材料表现出优越的倍率性能和循环稳定性。在大电流密度10和20 A g-1下,循环性能稳定,1000次循环之后可逆比容量分别高达990和740mAh g-1。而且在大倍率50 A g-1的大电流密度下,仍然可以保持413 mAh g-1的比容量。其卓越的电化学性能可以归因于新引入的金属Co单质的作用,金属Co不仅可以作为导电通道增大阵列材料的电子导电性,而且可以作为结构骨架增加其循环过程中的结构稳定性。