钠离子电池具有和锂离子电池相似的“摇椅”式储能机理,同时钠元素在地壳中的储量丰富、价格成本低廉,具有潜在的实际应用价值,是一种非常有潜力的新一代替代锂离子电池的储能体系。目前,影响钠离子电池发展的主要因素是缺少高性能的电极材料,尤其是负极材料。本文以NASICON型NaTi₂（PO₄）₃负极材料为研究对象,设计并制备具有特定微观形貌的NaTi₂（PO₄）₃与碳材料的纳米复合材料,围绕复合材料的设计、合成与制备、比容量、循环寿命和倍率特性等主要性能指标,研究电极材料的晶体结构、微观形貌、颗粒大小、比表面积等因素对其储钠电化学性能的影响。具体研究内容如下:1.NaTi₂（PO₄）₃/石墨烯纳米复合材料的制备及其储钠性能:采用溶剂热法合成制备了NASICON型NaTi₂（PO₄）₃与石墨烯的纳米复合材料,其显微组织形貌为高结晶度的NaTi₂（PO₄）₃纳米颗粒均匀地生长在石墨烯的表面上,形成二维片状纳米结构。进而探讨了该复合材料的制备机理。该材料在1 mol L-1 Na2SO4水溶液电解质中表现出优异的倍率性能和循环稳定性,在2C、5C、10C和20C电流密度下的充放电比容量分别为110、85、65和40 mAh g-1,在2C倍率下经100次充放电循环后,其放电比容量保持率仍为首次比容量的90%。2.基于NaTi₂（PO₄）₃/MWNTs-Na_0.44MnO₂水系钠离子全电池的设计及其电化学性能:研究了以NaTi₂（PO₄）₃/MWNTs纳米复合材料为负极材料,Na_0.44MnO₂纳米棒为正极材料,1mol L-1 Na2SO4水溶液为电解液的水系钠离子全电池体系。NaTi₂（PO₄）₃和Na_0.44MnO₂都具有开放式框架晶体结构,易于钠离子的快速传输。该全电池体系的工作电压在1.1 V左右,理论能量密度为58.7 Wh kg-1,在2C倍率下经300次充放电循环后的比容量保持在约50 mAh g-1,相应的库仑效率保持在95%左右。3.氮掺杂碳包覆NaTi₂（PO₄）₃纳米复合材料的制备及其储钠性能:分别以有机溶剂和离子液体（[EMIM][TCCN]）碳源,制备了碳包覆的NaTi₂（PO₄）₃以及氮掺杂碳包覆的NaTi₂（PO₄）₃纳米复合材料,详细探讨了两个电极材料在水系和有机电解液下的电化学性能。在1 mol L-1Na2SO4水溶液电解质下两个电极材料的传荷电阻非常小,影响这两个复合材料电化学性能的主要因素是钠离子的扩散系数。由于NaTi₂（PO₄）₃电极材料表面包覆了约10 nm厚的碳层,表现出较为优异的电化学性能,在20C电流密度下的放电比容量为42.9 mAh g-1;在1 mol L-1NaClO4有机电解液体系中两个电极材料的钠离子扩散系数大致相同,传荷电阻是影响电极材料电化学性能的决定因素。掺氮碳包覆的NaTi₂（PO₄）₃电极材料具有较小的传荷电阻,倍率性能良好,在2C倍率下的放电比容量为72.2 mAh g-1。4.介孔NaTi₂（PO₄）₃/CMK-3纳米复合材料的制备及其储钠性能:采用溶剂热反应及热处理合成制备了介孔NaTi₂（PO₄）₃/CMK-3纳米复合材料,其微观组织形貌为高结晶度的NaTi₂（PO₄）₃纳米颗粒均匀地嵌入在有序介孔碳的碳骨架介孔内。该复合材料用作有机电解液体系下的钠离子电池负极材料,则表现出较高的充放电比容量、优异的倍率性能及长循环稳定性,其在0.2C、0.5C、1C和2C电流密度下的比容量分别为101、76、58和39 m Ah g-1,在0.5C倍率下经1000次充放电循环后的放电比容量约为62.9 mAh g-1。与NaTi₂（PO₄）₃电极材料相比,介孔NaTi₂（PO₄）₃/CMK-3纳米复合材料独特的“介孔-纳米”结构使其具有较好的电化学性能。5.一维MWNTs@Na Ti₂（PO₄）₃纳米复合材料的制备及其储钠性能:采用溶剂热及控制热处理温度的方法制备了具有一维同轴“核-壳”纳米结构的MWNTs@NaTi₂（PO₄）₃复合材料,其显微形貌为高结晶度的NaTi₂（PO₄）₃纳米颗粒均匀地包覆在MWNTs表面上,形成以MWNTs为核、NaTi₂（PO₄）₃纳米颗粒为壳的一维同轴“核-壳”纳米结构。该复合材料用作有机电解液体系下的钠离子电池负极材料,表现出了非常优异的电化学性能,具有高的充放电比容量、良好的倍率性能和长循环寿命,其在0.2C、0.5C、1C、2C、5C和10C电流密度下的比容量分别为97.4、76.6、68.9、61.9、51.5和41.4 mAh g-1,在0.5C倍率下经1000次充放电循环后的放电比容量约为61.6 m Ah g-1。这是由于其独特的纳米结构不仅能够有效地缩短Na+传输路径以及增加电解液与活性物质的接触面积,而且相互缠绕在一起的MWNTs所构成的三维导电网络结构能够有效地促进Na+和电子在电极材料内部进行快速的传输。