为了使锂离子电池在信息电子产品和电动汽车等领域得到更广泛的应用，需进一步提高锂离子电池的能量密度。目前碳基材料是商业化程度最高，应用最广泛的锂离子电池负极材料。其中，石墨是最成熟的负极材料，其理论比容量为372 mAh/g。硅与锂形成合金，理论比容量是石墨的10倍以上，可达到4200mAh/g，被认为是最具发展潜力的下一代高容量锂离子电池负极材料。然而，脱嵌锂过程巨大的体积变化以及表面不能形成稳定的固体电解质膜，导致容量随循环迅速衰减、库伦效率不高的问题，严重阻碍了其大规模商业化应用。本论文的主要目的是通过设计合成特殊纳米结构的硅基负极材料，从而提高其循环性能以及库伦效率。　　为了缓解硅在脱嵌锂过程中的体积膨胀，以层状的CaSi2为原料，通过拓扑化学反应，首次制备了具有多层结构的新型硅基纳米片。通过控制反应条件，制备了不同形貌以及氧含量的纳米片。在水溶液和乙醇体系中制备的纳米片由于氧含量较高，嵌锂容量较低;在氯化钠和氯化钾的熔融盐中制备的纳米片氧含量低，具有较高的嵌锂容量。该纳米片层间具有大量空隙，有效缓解了脱嵌锂过程中的体积膨胀，作为锂离子电池负极材料具有较好的循环性能以及库伦效率，循环50周后容量保持800 mAh/g，最高库伦效率达到99.4％。此外，超薄的纳米片为锂离子的输运提供了良好的动力学条件，作为锂离子电池负极材料表现出较好的倍率性能（647 mAh/g，1 A/g）。　　硅负极表面不稳定的SEI膜使其容易与电解液发生副反应，导致较低的库伦效率。氧化铝包覆可以有效改善这一问题。本论文提出了一种简单可控的氧化铝包覆新方法。将纳米硅在高温下用氧气预氧化，在其表面形成一层均匀的氧化硅，再用金属铝在合适温度下将表面氧化硅转化为氧化铝。氧化铝的厚度可以通过反应温度和时间控制。氧化铝包覆后，纳米硅的循环稳定性有所提高，库伦效率从98％提升到超过99％，但由于体积膨胀不能被完全抑制，嵌锂态的纳米硅仍会出现裂纹，副反应仍然存在，不能达到更高的库伦效率。　　为了同时解决体积膨胀和表面副反应的问题，我们还设计了一种具有核壳结构的Si/Cu纳米复合材料。Cu或Cu-Si合金具有良好的电子电导，形成的导电网络可以降低电极极化;Cu原子容易在Si中扩散且具有很高的溶解度，有利于对Si的改性掺杂，提高Si的本征电导率。同时，Cu具有良好的延展性，对于缓冲Si的体积膨胀具有一定效果;Cu作为最常用的负极集流体，在负极脱嵌锂过程中具有很好的稳定性，不容易受电解液中微量的酸腐蚀，不会催化电解液分解。我们在100 nm的纳米硅表面包覆了尺寸小于10nm的Cu纳米颗粒，再通过碳包覆形成Si/Cu/C纳米复合物;碳包覆后，部分Cu与Si形成了Cu3Si合金，通过这些合金、纳米Cu以及碳包覆层的共同作用，Si/Cu/C复合物的电化学性能得到了一定程度的提高。经过50周循环后，容量保持超过600 mAh/g，但可能由于Cu包覆层和碳包覆层的不完整性，库伦效率只有98.2％。　　本论文最后简单介绍一种中空结构的纳米结构硅基负极材料以及一些微加工技术在纳米材料测试方面的应用。