氧化铜(CuO)作为一种重要的过渡金属氧化物,表现出很高的可逆容量,是一种很有前景的应用于电动车、混合电动车领域的锂离子电池阳极材料。为了满足电动车用锂离子电池对功率密度和能量密度的需求,毫无疑问,必须大力改进CuO的高倍率能力与循环性能。基于CuO的电子导电性、结构稳定性和锂离子在电极材料中的扩散长度的考虑,本论文设计出四种由直接生长在导电基底(Cu、Ni和不锈钢)上的微纳米结构及负载在微纳米结构上的活性材料组成的自支撑三维(three dimension,3D)微纳米电极(3DMNEs)。　　采用氨蒸发相腐蚀路线,制备了一种直接生长在紫铜带基底上的CuO介孔纳米片团簇阵列(CuO MNCAs)电极。控制氨水的浓度和氨蒸发腐蚀的时间,可以制备出不同厚度的CuO MNCAs。CuO MNCAs具有很高的比表面积(35.82 m2 g-1),直接用作锂离子电池阳极,表现出优异的倍率性能。厚约0.8μm的CuO MNCAs在10C倍率下的放电容量高达548.8 mAh g-1,为CuO理论容量的81.3％,随着 CuO MNCAs厚度的增加,CuO与紫铜带基底的粘结力变差,倍率性能逐渐降低。　　采用氨蒸发相腐蚀路线,构造出一种直接生长在商用铜箔基底上的CuO分等级介孔纳米片自组装齿轮状圆柱阵列(CuO HMNGPAs)电极。改变氨蒸发相腐蚀的温度、浓度和时间,CuO HMNGPAs可以转化成微米块和纳米片结构。CuO HMNGPAs具有很高的比表面积(30.47 m2 g-1),大量的孔径为3-10 nm的介孔结构。直接用作锂离子电池阳极,微米块体结构和纳米片结构CuO的可逆容量迅速衰减,CuO HMNGPAs在0.5C充放电循环100次后的放电容量达651.6 mAh g-1,10C倍率下放电容量达561.6 mAh g-1,为CuO理论容量的83.3%。　　采用阳极极化路线,设计出一种直接生长在紫铜带基底上的具有高倍率储锂性能的CuO松针状阵列电极。控制实验条件,松针状阵列CuO可以转化成纳米针阵列和分散型松针结构 CuO。直接用作锂离子电池阳极,松针状阵列、纳米针阵列和分散型松针结构 CuO都表现出优异的储锂性能。其倍率储锂性能关系为:松针状阵列 CuO>纳米针阵列 CuO>分散型松针结构 CuO。在10C、15C和20C倍率下充放电时,松针状阵列CuO的放电容量为577.1、545.9和492.2 mAh g-1,其中10C倍率容量为理论容量85.6%。2C循环100次后,松针状阵列CuO的容量保持为583.1 mAh g-1。　　基于微纳米结构的优势和过渡金属氧化物的储锂特性,设计了一种高倍率储锂性能的3D多孔微纳米结构金属/金属氧化物电极。采用氢气泡动态模板路线,在不锈钢基底上直接构造出3D多孔微纳米结构交联状(PMNI)Cu/Cu2O电极。用作锂离子电池阳极,在10C、15C和20C倍率充放电下,3D PMNI Cu/Cu2O的可逆容量分别为327.4、321.3和312.8 mAh g-1,10C、15C和20C倍率下可逆容量分别为Cu2O理论容量(375.0 mAh g-1)的87.3%、85.7%和83.4%。采用氨诱导路线,在3D泡沫镍基底上生长出3D泡沫镍基纳米多孔NiO。在10C倍率充放电下,3D泡沫镍基纳米多孔NiO的可逆容量达280 mAh g-1。　　这类3DMNEs由纳米片与介孔组合,纳米针自组装、纳米颗粒与多孔结构组合而成,综合了微米、纳米结构的优势,展现出依次增强的、超高的倍率循环性能。其原因是:第一,3DMNEs中的CuO微纳米结构直接与Cu基底相连,3D多孔结构的金属(Cu和Ni)用作电极材料(Cu2O和NiO)的3D导电网格骨架,增强了电极材料的导电性;第二,3DMNEs具有高比表面积的纳米结构,缩短了锂离子的扩散长度,增加了储锂活性位,提高了储锂容量;第三,3DMNEs具有一定的自由空隙,缓解了充放电过程中活性材料的体积膨胀,保证了材料结构的稳定性。这种3DMNEs的设计理念为改善锂离子电池的倍率循环性能提供了一种有效的参考途径。