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从小型电子装置所需的微电池到大的电动车动力源,锂离子电池正得到越来越广泛的应用,已成为21世纪极具发展潜力的新型化学电源,而锂离子电池电极材料的研究成为目前的研究重点之一。Co3O4是典型的p型半导体材料,因具有良好的电化学行为及高的比容量值,作为锂离子电池负极材料得到广泛的研究。本论文以Co3O4基负极材料为研究对象,围绕材料的制备、比容量、循环性能和倍率特性等主要性能指标,采用XRD, SEM, TEM, BET及电化学性能测试等方法,研究材料的晶体结构、形貌、颗粒大小、比表面积等因素及其对性能的影响,探讨材料的结构、形貌与电化学性能之间的相互关系。采用硝酸钴（Co（NO3）2·6H2O）为钴源,六次甲基四胺(HMT, C6H12N4为沉淀剂,柠檬酸钠（C6H5Na3O7·2H2O）为表面活性剂,水热法制得直径1μm左右的Co3O4微米球电极材料。BET测得比表面积为93.4 m2·g-1。大的比表面积为锂嵌入/脱出电化学行为提供了更多的通道,增大了首次不可逆容量。Co3O4电极材料进行大电流充放电时,12圈以后的容量保持率仍在90%以上,特别是25圈后容量值达到550.2 mAh·g-1,表明Co3O4微球电极材料具有好的循环寿命及电化学稳定性。进一步对电极材料分别在循环伏安前后及充放电测试前后做交流阻抗测试,计算锂离子扩散系数,并深入探讨了交流阻抗及电化学性能的变化关系。选取了4种Co（NO）3)2: HMT摩尔比比例,分别从2:1到1:4。调节HMT的加入量,进行材料形貌的调控,得到了从微球到刺猬状空心球等不同形貌结构的Co3O4空心球锂离子电池负极材料。对制得的材料分别进行了XRD,SEM,TEM,BET等表征,并揭示了材料各种形貌的形成机理。HMT的加入量对最终形貌起着决定性因素。当Co（NO3）2 : HMT摩尔比例为1时,合成的Co3O4电极材料具有规整的刺猬状中空微球结构,在40和60 mA·g-1不同充放电机制下,充放电循环5圈后的容量保持率在94%以上,表明该材料具有良好的电化学稳定性及循环寿命。对Co（NO3）2: HMT摩尔比例为1时制得的材料分别进行了300, 450和600℃三个不同温度的热处理。通过不同温度热处理后,材料的形貌及电化学性能发生了变化。随着热处理温度的提高,材料的结构开始出现了坍塌,尺寸不断增大,电化学性能呈衰减趋势。通过不同充放电阶段的交流阻抗表征发现,热处理温度增大以后,SEI膜内部的锂离子传导和电极材料/电解液表面的电荷传递均受到阻碍,单电极体系电阻增大。实验表明,300℃是该材料的最佳热处理温度。采用模板辅助微乳法在100°C制备了菊花状Co3O4微球并作为锂电负极材料测试其电化学性能。为了讨论材料的形貌、结构与性能的关系,分别选取了三个不同的反应时间（4, 6, 8小时）来进行材料制备,并分别进行了XRD和SEM的表征。增加反应时间,菊花状Co3O4微球呈现从含苞到盛开的形貌变化。对三种材料进行了电化学性能测试,发现反应6小时后制得的S-6h样品具有最好的电化学性能。30圈后,容量保持在565.5 mAh·g-1,而在60和80 mA·g-1大电流密度下40圈后容量仍能保持495.1 mAh·g-1。在50 mA·g-1电流密度下进行长时间寿命测试,20圈后的容量保持率接近于100%。为了改善Co3O4材料的导电性,分别选取多壁纳米碳管和葡萄糖两种碳源通过水热法制备Co3O4/C复合材料,探究其电化学性能。SEM表明纳米碳管填充在Co3O4材料的层间及颗粒孔隙中,形成良好的导电网络,提高了材料的导电性,使得Co3O4/CNTs复合材料在30圈后容量值保持在706.1 mAh·g-1,远高于纯相Co3O4 (455 mAh·g-1)。对Co3O4/CNTs复合材料进行50 mA·g-1长时间寿命测试发现,材料在10,20,30,40,50圈容量值还能保持在897.8, 804.1, 777.6, 710.9和672.5 mAh·g-1,且20圈后的容量保持率接近于100%。进一步的交流阻抗测试表明Co3O4/CNTs复合材料在各个阶段之间的阻抗变化最小,从而证明了CNTs在一定程度上保持了电极材料的稳定性。对Co3O4微球电极材料在LiOH电解液下的充放电状态的物质变化及锂离子嵌入/脱出电化学行为进行了初步的研究。对初始Co3O4微球电极材料、全放电到-0.6 V和再次全充电到0.6 V时三种状态下分别进行了XRD, SEM和拉曼光谱表征。通过循环伏安测试,我们认为在首次还原过程中,Co3O4被还原为LiCoO2和LiHCoO2;在相对应的氧化过程中,LiCoO2和LiHCoO2又重新被氧化成Co3O4。通过峰电流与扫速（ν1/2）的关系测试,我们发现在Co3O4微球电极材料内部锂离子的嵌入脱出过程呈现扩散控制关系,并计算了锂离子扩散系数（DLi+）。