随着全球人口的不断增长和经济的快速发展,各个国家对能源的需求量都日益增加。目前,全世界对能源的需求还主要依赖有限的化石能源。然而,这些化石燃料的燃烧产生了大量的二氧化碳和一些有害气体,导致了全球气候变暖和大气污染。此外,由于对石油和天然气的无节制的使用也造成了资源的短缺,我们急需开发一些无污染或低污染的绿色可再生能源,如风能、太阳能、氢能、潮汐能等等,但是这些新能源也存在一些问题,例如能量区域分布不均匀性、供应具有间歇性,不易控制性,以及周期性等。为了能够利用这些能源,发展合适的大规模储能技术显得十分重要。锂离子二次电池在新能源技术中占有重要的位置,可以实现风能发电、光伏发电等新能源电力并网的目标。然而锂资源的稀缺导致了成本提高,严重制约了锂离子电池在大规模储能领域中的应用。因此,开发低成本、可替代锂离子电池的下一代新型电池迫在眉睫。钠与锂处于同一主族,物化性质十分相近,而且钠离子电池同锂离子电池相比有资源丰富、电池安全性高和成本低廉的优点,因此钠离子电池在大规模储能领域具有非常广阔的应用前景。通过选择适当的正极和负极材料,可以研究出比锂离子电池更有实用价值的钠离子电池,在大量的负极材料里面硬碳材料展现了良好的整体性能,可逆的容量较高且电池循环寿命长,有更好的研究前景。本论文研究重点为可控制备一定层间距且比表面较小的硬碳,通过调控不同前驱体和烧结工艺得到不同微观和宏观结构的硬碳材料,进一步结合原位和非原位的结构测试对不同充放电阶段分子的结构进行分析,探索钠离子嵌入硬碳材料的机理。结合充/放电测试和循环伏安法等电化学手段,得到微观结构的变化对材料宏观储钠性能的影响机制。具体内容如下:1、选择酚醛树脂作为实验主体,通过设计调整酚醛树脂聚合的反应条件和过程参数,得到聚合结构不同的酚醛树脂前驱体材料,对前驱体进行热解得到结构不同的硬碳材料,研究不同的微观结构硬碳储钠电化学性能的差异。研究发现,随着合成前驱体的溶剂的极性的升高,酚醛树脂材料的交联度不断增大,得到的硬碳材料的球形度不断完善,缺陷度逐渐升高,在石墨微晶层间距几乎不变的情况下,石墨微晶的片层变长。水系酚醛树脂热解硬碳展现出较好的储钠性能,在20 m A/g的电流大小可逆储钠容量为310 m Ah/g,首次库伦效率为84%,在此电流密度的电池循环具有良好稳定性。除此之外,通过调控酚醛树脂前驱体合成的时间过程参数,水热合成温度及自组装过程中PH值的变化,得到了一系列结构不同的酚醛树脂热解硬碳,并对不同结构的酚醛树脂硬碳进行了储钠性能的研究,发现交联度较高的酚醛树脂硬碳表现出了良好的电化学性能,有利于储钠性能的提高。2、为了研究热解硬碳温度变化的影响,在不同温度下热解了上述材料中最优条件下的酚醛树脂前驱体,研究了热解温度、硬碳微观结构及宏观储钠性能之间的关系。在较低的热解温度下,硬碳充放电可逆容量较低,且平台区域较短,当热解温度达到1300oC时,充放电平台区域的容量达到最高,且首周库伦效率也最高。随着热解温度的进一步升高,硬碳微观结构更趋于石墨化,石墨微晶的层间距不断减小且微晶碳层长度增长,电化学储钠可逆容量和首效反而都出现了降低。研究得到了酚醛树脂硬碳的最佳热解条件,为进一步研究硬碳储钠奠定了一定的基础。3、利用上述材料中不同溶剂酚醛树脂热解碳和不同热解温度酚醛树脂热解碳这两个系列材料作为研究对象,结合GITT研究了钠离子嵌入过程的扩散动力学原理,通过非原位原子对分布函数PDF和非原位XRD的结构测试对硬碳材料的微观结构进行分析,得到了一套钠离子嵌入硬碳材料的三段式过程模型。随着放电深度的加深,钠离子嵌入硬碳的过程分别为:吸附储钠—嵌入储钠—钠金属析出。