纳米结构材料由于其具有高比表面积、快速电化学动力学和与电解液良好接触的优点，被认为是下一代锂离子电池的候选材料。碳纳米纤维是纳米尺度的碳材料，由于其较大的比表面积、优异的力学性和导电性被广泛地应用于储能领域。静电纺丝法由于其操作简单、价格低廉的优点在制备碳纳米纤维中脱颖而出。但是，一些文献报道，将碳纳米纤维直接应用到锂离子电池负极会造成速率能力低、库伦效率低等缺点。针对这种现象，本文通过将聚丙烯腈作为纺丝液，结合静电纺丝、预氧化和碳化工艺制备出结构和形貌优良的碳纳米纤维，并采用磁控溅射法在碳纳米纤维表面溅射一层镍（Ni）作为催化剂，最后采用化学气相沉积法（CVD）在碳纳米纤维表面生长碳纳米管，制备出高比表面积的碳纳米纤维/碳纳米管/Ni多层级复合材料，并探究了其作为锂离子负极材料的电化学性能。主要包括以下研究内容：
　　（1）通过调控静电纺丝、预氧化和碳化的工艺参数制备石墨化程度高的碳纳米纤维，并应用于锂离子电池负极，测试其电化学性能，展示出较好的循环性能（在电流密度为100mA g-1下100圈循环后的放电比容量为244.82mAh g-1）和导电性能（电荷迁移电阻是87Ω），但是也存在明显的缺点，比如，第一圈库伦效率很低，不可逆容量的损耗很大；放电比容量很低，尤其是在高电流密度下的放电比容量更低。所以，碳纳米纤维电极的电化学性能有待提高和改善。
　　（2）通过对催化剂、生长时间的调控采用CVD法在碳纳米纤维表面生长尺寸稳定且均匀分布的碳纳米管，并对其进行比表面积测试，得出碳纳米纤维的比表面积约为12.36m2g-1，而碳纳米纤维/碳纳米管/Ni多层级复合材料的比表面积明显增到340.26m2g-1。比表面积的增加有利于锂离子的快速扩散，为之后应用于锂离子电池负极提供了可能。
　　（3）通过采用一种新颖的CVD原位生长的方法，制备出具有高比表面积的碳纳米纤维/碳纳米管/Ni多层级复合材料，将其应用于锂离子电池的免支撑负极，展示出良好的电化学循环性能（在电流密度100mA g-1下100次循环后的放电比容量为480.82mAh g-1，在电流密度1000mA g-1下1000次循环后的放电比容量为260.88mAh g-1）、倍率性能（在电流密度1000mA g-1下的放电比容量为262.06mAh g-1）和导电性（电荷迁移电阻为68Ω）。碳纳米纤维与碳纳米管之间的紧密连接为电子和离子提供了多种运输途径，而且具有间隙和超高比表面积的多层级网络结构有利于锂离子的快速扩散，缓解了锂离子嵌入/脱出过程中的体积膨胀。