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高比能电池体系对发展新能源与清洁能源技术,特别是电动汽车电源和大规模风能与太阳能的电力储存十分重要。采用具有多电子反应特征的电池体系原理上可以获得比常规单电子反应电池体系更高的能量密度。探索多电子反应电极材料、构建新型高能电池体系是电池技术发展的关键科学问题。基于金属Co和Co(Ⅱ)在电化学反应过程中进行2电子转移反应,可实现多电子反应功能,本论文以钻基化合物及其复合材料作为碱性二次电池的负极材料,对其电化学性能进行了研究,探索了其多电子反应机制,并在此基础上设计了一种新型二次电池体系。论文主要研究内容和结果如下：在本论文中,通过机械合金化法制备了Co-Si3N4复合材料,通过XRD、TEM、XPS对复合材料的结构、形貌和表面及体相的化学状态进行了表征,通过恒流充放电和循环伏安测试研究了复合材料用作碱性二次电池负极的电化学行为。研究结果表明,金属Co和Si3N4经高能球磨处理后,形成了纳米尺度的金属Co,并分散镶嵌在非晶态Si3N4化合物的表面。钴元素在复合材料中主要以金属态的形式存在,仅在样品表面存在一层CoO氧化层。基于金属Co和Co(Ⅱ)之间的可逆电化学氧化还原反应,Co-Si3N4复合材料(Co/Si物质的量比为2/1)在碱液中表现出403 mAh/g的高放电容量,且电极具有良好的循环稳定性。另外,将该材料添加到稀土镁基合金中可显著提高合金的首次放电容量。论文研究了采用热分解Co(OH)2前驱体制备了CoO和Co304材料,并将其用于碱性二次电池负极材料,研究了其电化学性能。采用XRD、SEM表征了样品的微观结构和形貌。通过恒流充放电和循环伏安测试研究了电极的放电容量及电化学反应机制。研究显示,制备的CoO在60 mA/g放电电流密度下,放电比容量较高,能够实现507 mAh/g的可逆电化学容量,其放电平台位于-0.8V附近,电化学反应归属为Co的氧化还原。研究同时表明,C0304的电化学容量也来自于Co的可逆氧化,由于在充电过程中C0304难以完全被还原生成金属Co,活性物质的利用不充分,电极的最高放电容量为391 mAh/g。以上研究结果表明,CoO和C0304在低电流密度放电情况下具有较高的放电容量,在大电流放电条件下具有稳定的循环性能。论文采用均相沉淀法合成了α-Co(OH)2和β-Co(OH)2,通过XRD和SEM对其结构和形貌进行了表征,重点研究了Co(OH)2电极材料的高倍率性能。其中,β-Co(OH)2较α-Co(OH)2具有更加优异的电化学性能,在1C和10C充放电倍率下放电容量分别达到455和338 mAh/g,且循环性能稳定。其中,β-Co(OH)2在电化学氧化还原过程中可实现平均转移数为1.58个电子,该研究成果为探索多电子反应材料提供了新思路。在此基础上,探索构筑了一种新的Ni/Co电池体系。该Ni/Co电池体系以α-Ni(OH)2为正极活性物质,α-Co(OH)2或β-Co(OH)2为负极活性物质。该Ni/Co模拟电池在1C充放电倍率下放电比能量能够达到165Wh/kg(以α-Ni(OH)2和β-Co(OH)2为活性物质),循环50周以后能量保持在158.8Wh/kg,其能量保持率为96.2%。该研究结果有助于探索和发展新型二次电池体系。