随着锂电池在电动交通工具中的应用逐渐被人们认可，提高电池的能量密度和安全性等关键性能变得尤为迫切。选用容量更高的电极材料是提高电池能量密度最直接的方法。就负极而言，需要开发容量高于商用碳负极(372mAh g-1)的新材料。基于转换反应的硫化物/磷化物等放电时可发生多电子转移实现更高的理论容量，是开发高容量负极的重要体系。但它们在锂离子嵌入时会发生化学键的断裂产生较大的体积应变，导致材料自身粉化而无法同时兼顾高容量和长循环寿命。探索合理的材料组成设计改善结构稳定性是此类材料目前研究的热点。碳材料导电性好，可塑性强，用其作为活性材料支撑体，能够有效改善此类材料的储锂性能。本论文的该方面工作中，通过材料制备方法的设计，制备了两种碳支撑的高性能负极材料:　　(1)在硫化物负极方面，本论文基于茂金属发展了一种与现有文献报道的固相反应和液相溶剂热法不同的、具有一定普适性的一步气相法制备无定型碳包覆硫化物纳米颗粒的方法。成功制备了FeS、NiS2和Cr2S3纳米颗粒均匀分散在碳基体中的复合材料。所设计的结构不仅提高了材料的导电性，而且利于缓解活性颗粒充放电过程中的体积应变，实现优异的电化学性能。如FeS@C电极在100mA g-1的电流密度下循环350圈后，容量仍可保持在550mAh g-1，增大电流密度到500mAg-1，500次循环后容量还保持在480mAh g-1。　　(2)活性材料颗粒纳米化可大幅提高电极性能，但循环中发生的纳米结构的坍塌和纳米颗粒的团聚会制约纳米电极的循环寿命。为此，本论文提出了一种碳包覆单分散纳米活性颗粒的材料设计思路，设计了单分散的碳包覆立方NiP2纳米复合材料(NiP2@C-CNTs)验证了该思路。该材料设计极大的改善了Li+/e-扩散动力学，缓解了转换反应带来的体积应变，获得了优异的循环和倍率性能。材料在1300mAg-1(～1C)的电流密度下，循环1200圈次后，容量依然保持有816mAh g-1，增大电流到5000mA g-1(～3.75C)，1500圈循环后，容量保持在654mAh g-1，优于现有文献报道的此类材料的循环性能和容量保持率。　　选用高容量的电极材料虽可以改善锂离子电池的能量密度，但长远来看，要实现更高的能量密度（如500Wh kg-1）就需要开发新的电池体系。由金属Li、氧气以及有机电解液组成的锂空气电池其能量密度有望实现1000Wh kg-1，是新一代高比能电池开发的重要体系。但材料（正极、电解液和负极）的稳定性问题制约该电池的发展。本论文还开展了锂氧电池高性能正极的构筑研究，具体包括:　　(3)碳材料是常用的空气正极材料，但它自身易与锂氧产物LiO2、Li2O2发生反应导致副产物Li2CO3形成，损坏电池性能。针对该问题，本论文利用离子液体与碳纳米管易形成键合作用的思路，构筑了离子液体与Ru纳米颗粒双重修饰的氧气正极。该正极极大的改善了锂氧电池的性能，如所构筑电池其充电过电势仅有0.18V，且总过电势仅为0.28V，能量效率可达80-84％。　　(4)发展自身稳定的氧正极支撑体对锂空气电池具有重要意义。相比已报道了金属元素构成的贵金属、氧化物以及它们的复合物构成的非碳正极，本论文发展了一种基于非金属元素的非碳正极载体氮化碳(C3N4)。通过硼元素掺杂和表面氧化钌纳米颗粒修饰，使所得正极构成的电池展现出了优异的循环稳定性和倍率性能。如所构成的锂氧电池在截止电压条件下循环126圈次后，依然具有390mAhg-1的容量，且充电过电势仅有0.6V。优异的锂氧反应可逆性和电池循环稳定性得益于所设计的正极具有优异的稳定性，实现锂氧反应产物以Li2O2为主，避免了Li2CO3的大量形成。