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近年来,随着消费类电子产品、电动汽车和储能技术的飞速发展,锂离子电池的市场需求也不断增大。但是,目前商用锂离子电池的能量密度较低,无法满足未来高能量密度储能设备的要求。因此,开发高比能量的锂离子电池势在必行。采用高比容量的硅/锗基负极替代传统的低容量石墨负极(372 mAh g-1)从而减轻电池中负极材料的负载量,是制备高比能量锂离子电池的有效方法之一。硅（Si）和锗（Ge）负极是基于合金化的反应进行储锂,它们的理论比容量分别为4200mAh g-1和1625 mAh g-1。同时,硅/锗基负极的脱/嵌锂平台适中,可以避免锂枝晶的形成,保证电池的高安全性。然而,硅/锗基负极在充放电过程中存在较大的体积变化会导致活性材料的粉化和破碎,造成活性物质的利用率降低,最终致使电池的容量不断衰减和性能持续恶化。因此,通过对硅/锗基负极的微结构和组分进行优化设计从而改善其电化学性能,对于制备高比能量锂离子电池具有非常重要的意义。本论文结合了材料的纳米化、多孔化以及复合化等策略对硅/锗基复合材料进行微结构的设计,并通过对制备技术的探索来优化复合材料的组分。我们还研究了上述材料作为锂离子电池负极材料的性能,并取得了以下的主要创新成果。（1）立方块状多孔硅/碳复合材料（CM-Si@C）的制备与优化。通过对硅的形貌及制备工艺进行设计,合成的CM-Si@C负极在30 A g-1的高电流密度下循环200圈后仍具有740 mAh g-1的可逆比容量。此外,全电池CM-Si@C//LiFePO4的平均能量密度高达336 Wh kg-1。组成CM-Si@C的纳米Si（510 nm）颗粒可以承受较大应力的作用,同时多孔结构中的孔容也可以弱化Si的体积效应,提高其结构稳定性。CM-Si@C复合材料中的碳包覆层在提高Si导电性的同时避免了Si与电解液的直接接触,促进电极表面固体-电解质界面膜（solid electrolyte interphase,SEI）的稳定生成,提高了电极结构的完整性。（2）核壳结构锗/碳复合材料（Ge@NC）的设计制备。通过喷雾-热解法原位合成的Ge@NC负极在1 C(1.6 A g-1)的倍率下循环1000圈仍具有917 mAh g-1的高比容量,容量保持率为82%。此外,全电池Ge@NC//NCM523的平均能量密度高达340 Wh kg-1。Ge@NC复合材料中的导电碳壳可以提高Ge的导电性,还可以避免Ge与电解液的直接接触,减少表面副反应和团聚现象的发生。（3）多巴胺辅助制备的锗/碳复合材料（Ge@C/rGO）的优化。在Ge@C/rGO复合材料中,高导电性的rGO片层可以为Ge@C提供一个二维的导电基体从而提高Ge的导电性。此外,Ge@C颗粒被锚定在rGO上有助于增强Ge与导电基体之间的结合强度,保证电极结构的高稳定性。通过无定形碳和石墨烯的双重复合,Ge的电化学性能得到了明显地改善。Ge@C/rGO负极在2 C(3.2 A g-1)的倍率下循环600圈后具有1074 mAh g-1的比容量,容量保持率高达96.5%。（4）夹层状石墨烯包覆锗的类三明治结构锗/碳复合材料（rGO/Ge/rGO）的设计制备。rGO构筑的夹层状导电网络可以完全包覆Ge从而提高其电化学性能,rGO/Ge/rGO-10负极在1 C(1.6 A g-1)的倍率下经过500圈循环后仍具有1085mAh g-1的可逆比容量。此外,全电池rGO/Ge/rGO-10//NCM523在1 C的倍率下循环100圈后还能保持940 mAh g-1的比容量,库伦效率达到99.95%。夹层状的rGO在提高Ge导电性的同时可以抑制Ge与电解液的副反应。类三明治结构中少量的孔隙也可以容纳Ge的体积变化,提高复合材料的结构稳定性。（5）通过喷雾-热解法构筑三维石墨烯导电框架包覆锗的类球形锗/石墨烯复合材料（Ge/rGO）。三维导电框架内部相互交织的rGO片层有效阻隔了Ge颗粒之间的直接接触,避免Ge在循环过程中的团聚现象,有效地提高了活性物质的利用率。此外,三维rGO的导电框架还可以提高Ge的导电性和结构稳定性。Ge/rGO-2负极在1 C(1.6 A g-1)的倍率下经过1000圈循环后仍然具有811 mAh g-1的比容量,全电池Ge/rGO-2//LiFePO4的平均能量密度高达338 Wh kg-1。（6）一步固相法制备硅-锗合金负极（SixGey）的优化研究。SixGey合金负极可以充分利用Si和Ge两者的协同效应,在保证电极高容量的同时兼具优异的循环稳定性。SiGe合金负极中的Ge可以加快离子和电子的传输速率,在2 A g-1的电流密度下经过900圈循环后还具有418 mAh g-1的比容量。此外,SiGe合金中的Si和Ge在不同的电位下进行脱/嵌锂,可有效释放应力,提高结构稳定性。