未来,电动汽车和储能电网的大规模应用将会造成锂源料价格大幅上扬和锂离子电池成本过高的问题。由于全球有限的锂资源无法满足巨大的能源市场需求,而钠/镁离子电池储能技术因其对环境的友好性、丰富的全球储量、低廉的成本等优势被提议作为更便宜、更安全的下一代先进电池系统。在电池的基本组成中,电极材料的发展是提升钠/镁离子电池性能和降低成本的主要瓶颈。因此,设计和开发高性能电极材料、解决各类材料遇到的问题,对钠/镁离子电池的发展具有重要的科学意义和实际应用价值。本论文旨在利用合理的结构设计从而得到高性能钠/镁离子电池电极材料,同时在深入分析材料的结构一性能构效关系基础上寻找并发展新型高性能电极材料。主要的研究成果包括以下几个方面:1.设计并合成了一种球中球分级结构的P2型Na0.7Ni0.18Mn0.64Co0.18O2作为钠离子电池正极材料。在氧化物正极材料中,这种微纳结构对电池性能的影响很少被研究。事实上,这项工作提供了一个有趣的研究模型,为理解钠基层状氧化物材料结构与电化学性能之间的构效关系打下基础。同时电化学结果表明该微纳结构材料不仅拥有超高的容量还具有优异的倍率性能。此外,利用同步辐射X射线吸收谱学方法对其整个电化学过程进行了研究,结果表明该材料在整个过程中都有良好的可逆性。相信这一工作能够为新型高性能钠基层状氧化物正极材料的设计提供一个崭新思路,为钠离子电池正极材料的发展开辟一个新的方向。2.利用双重策略设计并制备了单晶普鲁士蓝(FeHCFe)纳米框架/单壁碳纳米管(SWCNTs)复合材料作为无粘结剂的钠离子电池正极材料。设计普鲁士蓝的杂化复合结构是提高该材料性能的有效方法。实验结果表明这种复合材料表现出超高的倍率性能,在100C下的容量还有35.0 mAh g-1;还有杰出的循环稳定性,5C下500次循环容量保持率达到92%。通过全面的化学和结构分析,借助软、硬X射线吸收谱学,解释了其性能提高的原因并描述了反应机制。这一工作对于以后发展新型高能廉价的其它普鲁士蓝类似物正极材料提供了一个很好的借鉴思路,有望被广泛应用于普鲁士蓝类似物正极材料的研究设计之中。3.在上述合成普鲁士蓝工作的基础上,利用制备的核壳结构普鲁士蓝类似物@多巴胺作为模板,一步硫化、碳化得到一种Fe0.6Co0.3Ni01S2纳米粒子限制在氮掺杂碳纳米盒子材料。作为钠离子电池负极,该材料具有更高的电子电导率和更丰富的氧化还原电对;外壳的碳层保护了活性颗粒,使得整个结构在钠离子反复脱嵌时可以保持完整。实验结果表明该材料因为其特殊的设计而拥有了超乎寻常的电化学稳定性和倍率性能,是一种潜在的高性能负极材料。这样的设计思路为开发具有更高容量和更优秀电化学性能的新型微纳负极材料提供了有益的启示,拓展了金属有机框架化合物衍生钠离子电池电极材料的新思路。4.采用层状MoS2纳米片作为镁离子电池正极,以自制的[Mg2Cl3]+·[AlPh2Cl2]-/THF(APC)溶液为电解液,高纯镁箔(99.9%)为负极,在充满氩气的手套箱中进行了镁离子电池的装配,并对其进行了初步的电化学测试。测试结果显示装配的电池是可以正常工作的,MoS2纳米片作为镁离子电池正极首圈释放了 99.5 mAh g-1的容量,而且在200 mAg-1的大电流密度下还有8.9 mAh g-1的容量。这些经验为我们摸索建立完善的镁离子电池装配工艺打下坚实的基础。