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锂离子二次电池成功商业化后,在便携式电子产品及新能源交通工具的飞速发展中起到了至关重要的作用,主要是因为锂离子电池既拥有高的能量密度和反复充放电循环等特征,又拥有低成本无环境污染等优势。然而,随着人们需求的增大,高效的电动交通工具、大型储能装置等的发展对锂离子电池提出了更高的要求。就目前来说,广泛使用的锂离子电池负极材料——石墨,由于较低的比容量理论比容量(仅为372 mA h g-1)和较差的倍率性能已经无法达到新能源储能设备所要求的高功率、高能量的标准。因此,人们迫切需要开发高性能的锂离子电池负极材料。在新的负极材料中,金属氧化物在未来的市场中具有极好的发展前景,不仅理论比容量普遍高于石墨材料,安全性能也更加优异于石墨材料。然而金属氧化物负极材料导电性差,在充放电过程中产生大的体积膨胀等劣势导致电极结构被严重破坏,进而造成容量快速衰减和不理想的倍率性能。尽管很多科研人员采用大量的化学方法改善了金属氧化物存在的问题,但是大多传统的化学合成方法并不能实现高的体积能量密度。所以本文主要按照将化学方法与物理方法相结合的思路,展开了关于锡基金属氧化物和过渡金属氧化物的研究工作来提高负极材料的体积能量密度并抑制其产生的巨大的体积膨胀。本文通过脉冲激光沉积技术（PLD,Pulsed Laser Deposition）和磁控溅射方法将金属氧化物薄膜直接生长在铜箔集流体上,然后采用水热法在薄膜上生长不同形貌的同种金属氧化物或者直接通过溅射的方法将不同的金属氧化物复合得到自支撑电极材料。一方面,自支撑电极材料在组装成电池时不需要使用导电剂和粘接剂等添加剂,工序上操作简单,性能上也避免了不必要的容量损失。另一方面,纳米结构或者不同金属氧化物的层层复合可以缓冲电极材料在充放电过程中产生的体积变化,并且直接生长在铜箔上的薄膜可以有效防止生长在其表面的纳米材料的粉碎和脱落,提高了活性材料的循环稳定性。本文通过物理沉积与化学水热法优化设计了一系列具有良好电化学性能的SnO2电极,不论在循环性能,还是稳定性能和倍率性能上都有了很大的改善,并且也在这一基础上,将研究对象扩展到过渡金属氧化物（CoO）电极材料上。本文主要包括以下工作:1.SnO2纳米柱与SnO2薄膜复合自支撑电极材料的制备及储锂性能的研究。首先,在室温下利用脉冲激光沉积技术（PLD）直接在铜箔上生长一层厚度约为120 nm的SnO2薄膜作为缓冲层。然后,将长有SnO2薄膜的铜箔通过水热法处理,在其表面生长SnO2纳米柱。通过SEM的结果表明:生长在SnO2薄膜表面的纳米柱比直接生长在铜箔表面的纳米柱无论在分布和形貌大小上都更加均匀。因为在SnO2纳米柱/SnO2薄膜这种结构中,SnO2薄膜为SnO2纳米柱的生长提供了更多的活性位点,有利于其均匀生长。而且在充放电过程中纳米柱的结构可以有效地缓冲材料产生的体积变化,并且薄膜可以使纳米柱牢固的附着在其表面,防止脱落粉化。这些优良性能也能从形貌表征测试和电化学测试结果中得以证实。在电流密度为200 mA g-1时循环100圈后,扫描电镜图片上仍可大体看出纳米柱的形貌并未被严重破坏,并且比容量高达1017.9 mA h g-1。2.SnO2纳米花与SnO2薄膜复合自支撑电极材料的制备及储锂性能的研究。为了进一步验证添加金属氧化物薄膜缓冲层生长纳米结构金属氧化物的思路,采用相同的方法制备SnO2薄膜,然后通过简单的水热法在其表面生长SnO2纳米花。从扫描电镜图像可以看出均匀分布的SnO2纳米花是由厚度约为90 nm的纳米片组成,直径约为2-3μm。电化学测试结果也表明:SnO2纳米花/SnO2薄膜自支撑电极材料在循环100圈后仍然保持827.7 mA h g-1的比容量。3.SnO2与NiO复合薄膜自支撑电极材料的制备及储锂性能的研究。完全利用脉冲激光沉积系统（PLD）制备SnO2与NiO复合薄膜自支撑电极材料,通过了一系列的不同的厚度对比实验,最终确定了50nm的SnO2薄膜与10 nm的NiO薄膜分别交替生长的制备方法。从测试分析可以发现,由于薄膜相互交替形成的空间限域现象使NiO可以有效地缓冲SnO2在嵌锂脱锂过程中的体积变化,并且能够阻止SnO2的团聚,提高电极材料的循环稳定性,在200 mA g-1的电流密度下循环100圈后比容量保持在1244mA h g-1。同时NiO薄膜最终包覆在SnO2薄膜表面,隔绝了SnO2与电解液的直接接触,减少了SEI膜的形成,进而提高了电池的库仑效率,高达96.1%。4.CoO纳米片与CoO薄膜复合自支撑电极材料的制备及储锂性能的研究。制备SnO2纳米柱和纳米花复合结构的实验思路同样可用于制备其他金属氧化物上（例如过渡金属氧化物CoO）,值得一提的是CoO薄膜是由磁控溅射制备的。相对而言,磁控溅射方法制备出的薄膜比PLD方法的薄膜均一性更好,更加有利于纳米结构金属氧化物的均匀分布生长,但是磁控溅射方法生长金属氧化物薄膜速度相对较慢,限制了其制备效率。我们采用简单的水热法及退火处理在CoO薄膜上生长一层均匀分布的CoO纳米片。CoO纳米片/CoO薄膜复合材料作为锂离子电池负极材料时库仑效率显著提高并且表现出优异的循环性能:首圈库仑效率达到88.9%,在200 mA g-1的电流密度下循环100圈仍然有811.5 mA h g-1的比容量。该合成方法亦可以扩展到其他过渡金属氧化物中得到电化学性能更加优越的锂离子电池。