随着电池技术的发展,锂离子电池现已主导便携式电子市场并正在扩展到大规模电能存储应用领域。然而,由于现有的锂资源已经无法满足建立大规模、高能量密度的储能系统的迫切需求。因此,具有钠储量丰富、成本较低以及具有与锂离子电池有着相似的电化学特性的钠离子电池应运而生。在众多的钠离子电池负极材料中,二氧化钛和金属钠因其成本低廉等优点具有广阔的发展前景。本论文通过分别调控二氧化钛和金属钠的表/界面,调控钠离子在电极材料中的扩散、嵌入/脱出、以及成核和生长行为,成功地提高了电极材料的储钠性能,并将结果与理论模拟相互验证。本论文的主要研究工作如下:(1)通过简单的溶剂热反应及后续的高温锻烧,成功地制备了碳修饰的超薄纳米片组装的花状混相二氧化钛(TiO2(A)/TiO2(B)/C)。理论计算和实验结果证明了 TiO2(A)和TiO2(B)之间的两相界面可以为可逆的钠离子存储提供额外的活性位点,并有效地减小钠离子的扩散势垒,促进电荷转移动力学。在10 C的电流密度下,TiO2(A)/TiO2(B)/C循环6000圈以后具有120 mA hg-1的可逆容量,而且在循环1200圈以后仍可以观察到由超薄纳米片组成的花状结构。甚至在高至100 C的电流密度下,仍有104mAhg-1的容量。(2)通过热解的方法制备了氧掺杂碳纳米管框架(a-CNTs)并作为金属钠沉积基底。理论计算和实验结果均表明了 a-CNTs表面的含氧基团与钠之间具有比碳更强的结合能,极大地增加了电极表面的“亲钠性”,有利于金属钠的均匀成核和稳定沉积。在电流密度为1 mA cm-2,面积容量为1 mA h cm-2时,a-CNTs半电池可以稳定循环超过1600圈,库伦效率为99.9%。当面积容量增大至为8 mA h cm-2时,在5 mA cm-2的电流密度下a-CNTs/Na对称电池可以循环100圈。(3)通过聚苯胺的自组装工艺制备了氮氧共掺杂的碳纳米纤维网络包覆的碳毡(NOCF)并作为金属钠沉积基底。NOCF表面的纳米网络结构可以有效分散电极内部的钠离子,缓解钠枝晶的形成。NOCF表面丰富的具有“亲钠性”的氮氧官能团可显著改善钠金属的均匀成核和稳定沉积。在电流密度为1 mA cm-2,面积容量为1 mA h cm-2时,NOCF/Na对称电池即使经过600 h的循环仍能保持低于20 mV的过电位,与CF/Na对称电池相比,NOCF/Na对称电池呈现出更为平坦的电压平台。