目前商品化锂离子电池负极材料所广泛使用的碳材料存在比容量低(372mAh g-1,837mAh cc-1)及安全性欠佳的问题。金属锡具有更高的理论比容量(994mAh g-1,7200 mAh cc-1)且无安全隐患,是一种很有发展潜力的负极材料,但由于在脱嵌锂过程中伴随着巨大的体积变化,导致活性物质粉化、脱落,从而与集流体失去电接触,容量迅速衰减。这成为制约金属锡作为锂离子电池负极材料的致命缺点。为了提高锡的循环稳定性,国内外科研工作者采用的方法一般有：①引入非活性元素,制备活性/非活性合金体系；②引入其它活性元素,制备活性/活性合金体系；③锡基负极材料的纳米化；④锡基负极材料的薄膜化；⑤锡基纳米材料的碳包覆；⑥锡基氧化物；⑦锡基材料的形貌控制,如采用多孔材料和空心核壳结构等,但单一方法很难取得显著的效果。本论文针对锡铜合金体系,综合薄膜化、纳米化、形貌控制等方法制备新型锡基负极材料,希望可以缓冲锡的体积膨胀,从而提高锡基材料的循环稳定性,开展的主要研究工作如下：(1)综合利用活性/非活性体系、薄膜材料和多孔材料的优点,制备了三维多孔的锡铜合金负极。以孔径为100～200μm的多孔铜为集流体和铜源,使用化学镀锡工艺均匀包覆厚度为0.7μm的金属锡层,通过在真空条件下150℃热处理2小时,得到了三维多孔Cu6Sn5合金负极,合金层的厚度为1.2μm。不同热处理条件下还制备了三维多孔结构的Sn-Cu6Sn5和Cu6Sn5复合电极。在0～2.0 V的电位区间,电流密度100 mA g-1的条件下进行恒流充放电测试,结果显示三维多孔Cu6Sn5负极显示出最为优异的电化学性能,循环100圈后仍保持404 mAh g-1的比容量。相比于Sn-Cu6Sn5复合负极,Cu6Sn5更好的循环稳定性归因于Cu6Sn5的形成及活性材料与集流体之间更好的结合力。而Cu6Sn5复合负极较差的循环性能则因为其较差的可逆性,这可以从其放电曲线中得到较好的解释。(2)纳米材料虽然因其更小的应力,可有效缓冲锡基材料充放电过程中巨大的体积变化,但纳米材料在充放电过程中容易发生团聚,导致循环性能变差。因此,设计并合成了一种新型的空心核壳结构Cu6Sn5@Ti02纳米管阵列负极材料。首先在60 V恒电位条件下氧化钛箔制备长度为2μm,管径为100 nm的Ti02纳米管阵列,然后通过化学镀铜和化学镀锡工艺将Cu6Sn5合金层包覆在Ti02纳米管内壁上,化学镀后Ti02纳米管的管径从100 nm减至约50 nm,但仍然保持中空的结构。这种独特的“管中管”结构有望可以缓冲锡的体积膨胀、防止锡基颗粒的电化学团聚,并且可以大大减小锂离子的扩散途径。电化学测试结果显示该材料比容量为空白Ti02纳米管阵列比容量的3倍,60次循环后的容量保持率为85%,且表现出优异的倍率性能。(3)进一步以碳纳米管为载体,利用化学镀锡和化学镀铜工艺制备了Cu6Sn5@CNTs复合粉体材料。Cu6Sn5合金层被均匀地镀覆在碳纳米管外壁。材料的首次放电容量为614 mAh g-1,首次可逆充电容量为371 mAh g-1,对应的首次库伦效率为60%,相比于纯碳纳米管有较大的提高。但循环性能却仍不理想,20次循环后容量仅为223 mAh g-1。这可能是由于Cu6Sn5合金层是包覆在碳纳米管管壁的外部,在充放电过程中由于体积变化和应力增加,容易从碳纳米管上脱落。这种外包覆方式与内包覆相比,在提高锡基材料循环稳定性方面还是有较大的差距,材料结构需进一步优化。(4)除了在锂离子电池锡基负极材料方面的研究工作,在电化学电容器方面也开展了一些工作。电化学电容器是一种适于快速充放电的储能装置,与电池相比,具有非常高的功率密度,但能量密度却非常低。通常认为这是由于活性材料较低的利用效率造成的。因此,提高电极材料的利用率是提高电容器比能量的关键。本部分工作利用阴极沉积法和后续热处理制备了孔径为2-3 nm的无序多孔结构Mn02薄膜,并将其沉积在三维多孔集流体上。TEM和XPS分析结果显示MnO2的无序多孔结构是在热处理过程中失水形成的。由于集流体的大孔结构和活性物质Mn02的介孔结构,活性物质的利用率得到较大的提高。在5 Ag-1的电流密度下材料的比容量为385 Fg-1,并表现出优异的倍率性能和循环寿命。