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在未来数十年,锂离子电池将在绿色可再生能源利用(能量储存)和电动汽车发展(能量消费)等方面具有广泛的应用前景。然而,目前商用的锂离子电池负极材料—石墨,其较低的比容量和较差的倍率性能已无法满足未来锂离子电池具有高比容量和高功率密度的要求。因此,开发高性能负极材料迫在眉睫。SnO2基负极材料作为最主要替代材料之一,由于其较高的比容量、安全的嵌脱锂电位和简易的制备方法等一系列优点而受到广泛的关注。但SnO：基负极材料在充放电过程中会产生巨大的体积变化,导致电极结构退化,进而造成容量的快速衰减。尽管很多科研人员针对上述问题开展了大量的工作并取得了一定的进展,但是这些结果还不尽人意,离实际应用还有一段距离,这是由于目前对SnO2基负极材料在循环过程中的电化学性能衰减的机制还不够清楚,电化学性能改善效果有限。因此,本文从SnO2基负极材料循环性能衰减机理入手系统开展了研究工作。第一章首先介绍了锂离子电池的研究背景和工作原理,而后简明扼要地阐述了不同类型负极材料的特点,随后着重论述了SnO2基负极材料的研究现状和存在的问题,据此提出了本文的研究依据和工作内容。第二章详细介绍了本工作所使用的实验方法、仪器设备和药品试剂,并重点介绍了常用的材料结构、成分和形貌等表征手段(如球差校正透射电镜和原位透射电镜等)和电化学性能的表征方法。在第三章工作内容中,针对SnO2基复合氧化物负极材料在循环过程中仍然存在电极材料的团聚及开裂粉化的问题,我们设计制备了一系列三维错排结构的金属氧化物(3D SnO2-MxOy)纳米复合电极材料。该材料的结构是由超细纳米颗粒紧密堆积而成的,不同氧化物组分在整个电极中均匀交替分布；纳米颗粒被严格限制在初始位置,而不发生团聚。结果表明,3D SnO2-Fe2O3的首次放电比容量为1626.8 mAh g-1,50次循环后仍能稳定保持1369.5 mAh g-1的比容量。更值得关注的是,在8Ag-1的超大电流密度下,放电比容量仍能维持824.2 mAh g-1,同样地,具有类似结构的3D SnO2-Co3O4和3D SnO2-NiO也表现出优异的电化学性能。在第四章的工作内容中,从原子迁移和结构完整性的角度出发,我们提出了空间限域的嵌锂脱锂反应,用以解决负极材料结构退化的问题。为此我们制备了一种致密的、由三元氧化物纳米团簇均匀交错组成的纳米复合负极材料SnO2-Fe2O3-Li2O (59.0:36.6:4.4,质量比)。电化学性能测试结果显示,SnO2-Fe2O3-Li2O (59.0:36.6:4.4)纳米复合负极材料的初始体积放电比容量为6984.9 mAh cm-3(质量比容量为1396.8 mAh g-1),在200次循环后仍能保持6034.5mAh cm-3 (1206.9 mAh g-1,为首次放电比容量的86.4%),这是目前为止报道的最高的体积比容量值,并且首次获取了具有高体积比容量和长循环稳定性的电极材料。而且,在20Ag-1超大电流密度下,仍能获得高达4704 mAh cm-3 (940.8 mAhg-1)的比容量。利用先进的球差校正透射电镜和原位透射电镜,我们证明了SnO2-Fe2O3-Li2O (59.0:36.6:4.4)纳米复合负极材料实现了空间限域的储锂脱锂反应,而这是电极材料在长循环过程中保持稳定容量和结构完整性的根本原因。第五章,为了改善SnO2负极材料在嵌锂脱锂过程中的动力学过程,提高转化反应的可逆程度,我们制备了Ni/SnO2纳米颗粒团簇材料。循环性能测试结果显示,在1Ag-1大电流密度下测试,100次循环后,Ni/SnO2纳米颗粒团簇材料的比容量仍能稳定维持在820.5 mAh g-1以上。而且在超大电流电流密度2、5和10Ag-1下,比容量分别保持841.9、806.6和770.7 mAh g-1,是1Ag-1下比容量的96.8%、92.7%和88.6%。分析表明,即使在大倍率和长循环条件下,仍能实现SnO2负极材料转化反应的高度可逆,这得益于动力学过程的极大改善。换句话说,通过改善动力学过程,我们获得了同时具有高比容量和高倍率性能的SnO2基负极材料。第六章,通过合理调控电压测试窗口(限制在0.005-1.2 V),在SnO2基锂离子电池负极材料(SnO2-Fe2O3-Li2O (66.7:28.9:4.4))中同时实现了超大倍率性能、超长循环周期和超高库伦效率。在此电压测试窗口内,每个超细Sn(SnO)纳米颗粒都被周围的Fe和Li2O隔离开来,避免了原子的迁移；同时原位生成的Fe单质构成了电子导电通道,而Li2O则隔绝了活性物质与电解液的直接接触并提供了锂离子的扩散路径。电化学性能测试结果显示,在1Ag-1大电流密度下经过1200次超长循环后,比容量仍保持420 mAh g-1,容量衰减率仅为0.016%/次；在超大电流密度80Ag-1下,比容量还能保持350 mAh g-1,是1Ag-1下容量的67.3%；并且所有样品的库伦效率都接近100%。全电池测试结果表明,该电极材料具有巨大的应用前景。最后,在第七章中,系统总结了本论文的研究内容,指出了现有工作的不足,并提出了未来的发展方向与建议。