金属锂理论比容量（3860mAh/g）极高，与标准氢电极相比，有一个较低的负氧化还原电位（-3.04V），因此，应该提供极高的理论容量[23]。然而，在循环充放电过程中，非水电解质会和金属锂形成高比表面积的锂枝晶，严重影响了电池的性能，并且锂枝晶可能刺破微孔隔膜，直接与正极材料接触，导致电池短路，引发安全隐患。以金属锂为负极的锂电池还存在库伦效率较低的缺点，尽管可以通过提供过量锂金属来补偿，例如，在早期的锂电池中，提供了过量300%的金属锂。金属锂负极材料的技术难题推动了碳基负极材料的发展。典型的碳基负极材料是石墨，容量（372mAh/g）有限。目前，由于Sn、Sb、Si、Ge[24-27]可以与锂形成锂合金，可以掺入更多的锂，成为很有潜力的负极材料。其中，Si基负极材料理论容量高达4200mAh/g，远大于石墨和氧化物材料，引起了人们的研究兴趣[28]。然而，Si负极材料在应用的过程中面临一个主要的问题：在充电过程中，负极材料嵌锂，反应形成硅锂合金，体积膨胀高达380%，而在放电过程中，负极材料发生相同幅度的收缩，对电极而言造成了不可逆的机械损伤，使得负极材料与集流体接触不好，导致快速容量损失。此外，硅通常导电性较低，从动力学上限制了电池的使用。目前，通过添加导电粘结剂或复合石墨烯来提高硅材料的导电性。

图1.3 不同负极材料的比容量图

1.3 基于钴酸锂的三维纳米阵列结构正极材料用于锂离子电池

三维概念提出至今，典型的三维微电池结构如图1.4所示。图1.4a描述的是正极柱和负极柱阵列规则有序交错排列，中间空隙被电解质填充分离。三维微电池结构也可以由正极片和负极片交错排列而成（图1.4b）。上述两种结构从位置上讲，正、负极是等同的，电解质是相连续的。三维微电池还可以设计成三维同心柱状结构（图1.4c），柱状结构的正极或负极表面包裹一层电解质，由另一种电极材料填充剩余体积。这种结构会使得电极材料得到充分利用，电解质体积减小，从而提高了能量密度。还有一种非周期性的三维结构设计，不基于常规的结构，电极材料取向任意覆盖在沉积形成的电解质上（图1.4d）。这些结构比表面积很大，但由于分离层极薄，可能形成洞穴，正负极间极易短路。在这些三维结构中，交错排列结构的制备方法最简单的。尽管如此，电池循环过程中电极体积变化和小孔形成造成的短路危险是整个结构设计考虑的重点，因此，需要权衡考虑由于电极间距离减小导致的能量密度的提高和短路危险的增加。

图1.4 不同三维微电池的结构示意图

LiCoO2材料具有电压高、可逆容量高、循环寿命长、安全稳定、合成简单等优点，是目前应用最广泛、工艺最成熟的正极材料之一[14]。根据制备方法和合成温度，钴酸锂可以分为立方尖晶石结构钴酸锂（低温LiCoO2）和六方层状结构钴酸锂（高温LiCoO2）[29]。商业上主要集中对六方层状结构钴酸锂的研究，六方层状结构钴酸锂为锂离子的传输提供了良好的通道，六方层状钴酸锂的结构如图1.4。当1mol锂离子完全脱出时，LiCoO2的理论容量高达278mAh/g。然而，由于结构的限制，在LiCoO2中，最多只有0.55mol的锂离子可以实现可逆地脱出与嵌入，因此，LiCoO2的可逆容量在120mAh/g-140mAh/g之间[30]。LiCoO2的充放电区间通常为3.0-4.2V（金属锂为对电极和参比电极），且抗过充性能差，因而尽量避免过充现象。目前，关于三维钴酸锂纳米阵列的报导还很少，之前有报导以阳极氧化铝(AAO)为模板来制备LiCoO2纳米线阵列，但其中没有给出任何的电化学性能[31]，最新是通过两步水热合成的方法在金片和钛片上制备LiCoO2纳米线阵列，在此项工作中，同时合成了低温LiCoO2