锂离子电池由于其高能量密度和长循环寿命已广泛应用于便携式电子设备和电动车中。然而,由于锂资源的稀缺性和地理分布的不均匀性严重阻碍了锂离子电池在大规模储能中的应用。钠资源储量丰富且价格低廉,具有与锂相似的物理和化学性质,因此,钠离子电池被认为是最具前景的大规模储能器件之一。与锂离子相比,钠离子的半径较大(1.02 vs 0.76 A),寻找合适的宿主材料以提供足够的空间保证钠离子的储存和运输至关重要。最近,大量的层状氧化物、聚阴离子化合物和普鲁士蓝类似物被证实可用作高效的钠离子电池正极材料。就负极材料而言,商业化的石墨不能提供足够大的层间距以容纳钠离子,储钠能力较低;因此,寻找高性能的钠离子电池负极材料非常重要。目前已报道的钠离子电池负极材料包括碳材料、合金、金属氧化物和硫化物以及有机化合物等。合金材料在嵌钠过程中会产生较大的体积变化而引起结构塌陷,导致失去电接触点与容量衰减。金属氧化物或硫化物的首圈库仑效率较低,有机化合物的循环稳定性较差,这些都限制了它们在钠离子电池中的实际应用。在这些负极材料中,由随机取向乱层纳米微晶构成的硬碳具有较大层间距,已被证明是最有希望的钠离子电池负极材料之一。前期研究表明将可再生、低成本的生物质高温碳化可以得到硬碳。然而,生物质衍生硬碳作为钠离子电池负极仍然存在可逆容量较低的问题。基于上述结果,本论文选用了荸荠、稻壳和棉花三种生物质为前驱体,经过简单除杂过程后进行热解制备了三种生物质衍生硬碳材料,并对其中的棉花衍生碳材料作硫掺杂,进行对生物质基碳材料的改性研究,主要研究内容如下:首先,我们用盐酸对荸荠进行除杂,然后热解制备荸荠衍生硬碳(WCHC)材料。硬碳材料具有较大的层间距和高度无序的结构,钠离子不仅可以插入石墨片层,还可以吸附在表面,有利于钠离子的存储。此外,较低的碳化温度使得整个碳结构的石墨化程度低,含有部分的含氧官能团,官能团参与表面的氧化还原反应,也提高了材料的储钠能力,最终实现了较高的比容量和良好的倍率循环稳定性。其次,我们选用稻壳为原料,将其除杂后分别在高于1000℃的不同的碳化温度下进行热解,制备得到三种稻壳衍生硬碳(RHHCs)。研究发现硬碳的石墨化程度随碳化温度的升高而增大,层间距则随温度升高而降低。对其进行电化学性能测试,半电池中RHHC-1300实现了首圈372 mAh g-1的比容量以及93%的容量保留率。对三种硬碳材料进行动力过程研究,表明材料良好的倍率性能与钠离子在其中的扩散过程相关。分析材料充放电过程中内部结构的变化,我们发现材料具有非常好的可膨胀结构,以及良好的可逆性。将RHHC-1300与Na3V2(PO4)2F3/C组装成全电池,全电池可以实现185 Wh kg-1的高能量密度和优秀的循环稳定性。最后,我们以棉花为原料,将其分别在Ar和H2S/Ar气氛下热解制备了碳微米管(CMTs)和硫掺杂碳微米管(S-CMTs)。研究发现硫掺杂不仅可以扩大碳材料的层间距,还可以创建微孔,增大比表面积,提高导电性,增加储钠位点,提高容量。为了验证硫原子是掺杂进入碳结构中而非吸附在表面,我们还将硫粉与碳微米管混合研磨,在氩气气氛保护下于155℃保持12 h制备硫/碳微米管(S/CMTs)复合物,将其与S-CMTs各项结构表征作对比,证明我们合成的S-CMTs中的硫元素确实是与结构中的碳原子以化学键合方式而存在。对三种材料进行电化学性能测试,S-CMTs表现出532 mAh g-1的比容量,在1 A g-1电流密度下循环1000圈,容量保持在281 mAhg-1,体现了优异的循环稳定性和倍率性能。