锂离子电池和传统铅酸、镍氢电池相比,具有容量高、功率大、循环性能好,不含铅、镉、汞重金属等优点,被称为“绿色化学电源”,因而广泛应用于移动数码电子、电动汽车、空间飞行器等大功率电源领域。负极材料是锂离子电池的重要组成部分,目前商业化的负极材料主要是由碳材料制备而成,但是碳的理论比容量低,已成为限制锂电池进一步发展的瓶颈。近年来,金属氧化物负极材料由于其较高的理论比容量已成为目前最有希望替代碳负极材料的候选者。然而,金属氧化物负极材料在充放电过程中会产生巨大的体积变形,从而造成材料开裂、脱落,最终导致锂离子电池失效。因此,目前对于锂离子电池负极材料的研究主要集中在通过纳米化和复合化的方法来优化材料结构,缓解体积膨胀,提高循环性能。因此,本学位论文以金属氧化物TiO₂、SnOx为研究对象,通过微观结构设计和复合化的方法对该类负极材料进行组分与结构优化,以改善锂离子电池负极材料的循环性能和倍率性能。在此基础上,采用球磨法、静电纺丝法、水热法和电镀-阳极氧化法制备钛和锡的氧化物负极材料,利用XRD、SEM、TEM、BET、XPS等表征测试方法对实验制备的样品进行微观结构和表面形貌进行表征,采用恒流充放电测试、电化学阻抗谱等方法对其电化学性能进行了评估。主要创新性研究成果如下:1、分别采用机械球磨法和静电纺丝法制备介孔结构TiO₂/CNTs复合材料和纳米纤维结构TiO₂,并研究了其显微组织对材料电化学性能的影响。结果表明,所制备的介孔结构或纳米纤维TiO₂的比容量和倍率性能相对于纯颗粒状TiO₂得到了有效提升,且具有较高的库仑效率和循环性能。其原因在于介孔结构和纤维结构可大大增加材料的比表面积,便于激活活性物质参与反应,同时这些结构还可作为负极材料在锂脱嵌过程中的力学支架与嵌锂脱锂通道,有利于锂离子的脱嵌。2、分别采用静电纺丝法和水热法制备高比容量SnO₂/TiO₂和SnO₂/RGO复合材料,并对其微观结构和电化学性能进行研究。结果表明,这两种复合材料的循环性能和比容量相较纯SnO₂均得到了明显改善,尤其是RGO负载SnO₂负极材料的电化学性能更为优异,首次放电比容量高达1696 mAh g-1,循环50次后放电比容量仍有600 mAh g-1。其原因在于,TiO₂和RGO的加入可以有效缓解SnO₂在充放电过程中因体积膨胀导致的材料失效,并能进一步提升材料的比容量和导电性,从而改善了该负极材料的循环性能。3、基于一体化层状复合材料的设计思想,以单质铜为基底,采用电镀-阳极氧化法直接制备具有介孔结构的SnO₂/SnO/Sn层状一体化复合材料,同时为进一步提升电极材料的比容量和循环性能,通过加入CNTs制备了CNTs@SnO₂/SnO/Sn层状一体化复合材料。研究结果表明,该一体化复合材料的首次放电比容量高达1895mAh g-1,经过50个循环后,容量仍保持在927 mAh g-1,从而通过电极材料的介孔化、复合化、一体化的综合设计思想,有效改善电极材料的电化学性能。4、以泡沫镍为基底,采用复合电镀-阳极氧化法制备出了层状一体化锡氧化物薄膜负极材料,并研究了电镀工艺和氧化时间对材料电化学性能的影响,优化了最佳电镀工艺参数和氧化时间,在此基础上引入CNTs以改善其电化学性能。研究结果表明,泡沫镍基CNTs@SnO₂/SnO/Sn负极材料库仑效率高达98%,首次放电比容量为1260 mAh g-1,在循环50次后为393.4 mAh g-1,其循环性能和比容量均高于不含CNTs的负极材料。在此基础上,探索了锂离子电池在循环过程中电化学性能衰退的物理机制。