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随着社会的蓬勃发展,能源危机和环境污染已成为人类共同面临的两大严峻问题,因此开发清洁可再生能源刻不容缓。在目前的各种储能技术中,锂离子电池由于工作电压高、容量高、自放电小和循环寿命长等优势而引起人们的热烈关注,广泛应用于便携式电子设备和电动汽车等领域,并在大规模储能系统中展示出良好的应用潜力。为进一步实现其应用范围,如何提升锂离子电池的循环性能、安全性能、功率密度和能量密度是目前亟需解决的问题。同时,随着电动市场的不断发展,有限的锂资源和不断上涨的生产成本,使锂离子电池无法满足日益增长的需要,使其可持续发展受到限制。与锂相比,钠作为与其同一主族的相邻元素具备相似的电化学特性,同时钠在地球的储量是锂的1045倍,因而,钠离子电池作为锂离子电池的替代品对未来能源的可持续发展具有深远的意义。然而由于钠离子半径较大,在电极材料的嵌脱更为困难和复杂,从而降低了整个电池的可逆容量和倍率性能,因此开发适合的电极材料成为实现钠离子电池应用的关键。针对锂/钠嵌脱过程中存在的问题,本文设计合成了具备特殊形貌的纳米结构材料,并将其应用到锂离子电池和钠离子电池负极中,进一步提升了电池的倍率性能和循环寿命,具体工作主要包括以下几个方面:1.以氧化石墨烯作为骨架,通过一步原位聚合反应制备了氮磷共掺杂的三维碳材料（NP-C）。该过程简单易操作并且可规模化生产。得益于三维结构和掺杂的协同作用,将其作为负极材料应用在锂离子电池时,NP-C显示出了优异的倍率性能和长循环寿命。在电流密度为10 A g-1时,其可逆比容量为595 mAh g-1,而在电流密度为2 A g-1时,循环2000次后,可逆容量依然能保持在740 mAh g-1,容量保持率在95%以上。一方面通过电流间歇滴定法（GITT）计算得知,良好的倍率性能主要得益于锂离子在NP-C材料中较快的扩散速率。另一方面通过循环伏安法分析表明,高比容量主要是来自于由缺陷、边缘和表面分布的孔贡献的赝电容特性。2.以葡萄糖为添加剂,采用一步水热法制备了一种三明治结构的碳纳米管支撑的二氧化锡/碳复合材料（C-SnO2/CNT）。在反应过程中,考察了葡萄糖对材料形貌和电化学性的影响。结果表明,葡萄糖的引入,既可以作为导向剂使二氧化锡颗粒均匀的生长在碳纳米管表面避免堆积,同时又可以作为碳源控制二氧化锡的生长以获得纳米尺度的颗粒。基于这种优异的结构,CNT@SnO2@C显示出良好的电化学性能,在电流密度0.2 A g-1时,可以获得1500 mAh g-1的比容量,当电流进一步增大到4 A g-1时,比容量依然可以达到750 mAh g-1。本实验方法简单、高效并且不需要提前对碳纳米管进行酸化处理,可以根据需要选择不同的前驱体,进一步制备应用于其他领域的三明治结构碳纳米管/金属氧化物/碳材料。3.采用简单且易操作的分子自聚合反应,在不使用任何模板的前提下,成功制备出了具有海胆状结构的磷化钼@碳（MoP@C）球。反应过程中考察了多巴胺对材料形貌和性能的影响,发现通过多巴胺的自聚合反应而生成Mo-聚多巴胺,使Mo7O246-均匀的包裹在聚多巴胺体系中,通过磷化处理可进一步获得由包裹着MoP纳米晶的二维碳纳米片组成的海胆状结构。研究结果表明,将海胆状的MoP@C应用于锂离子电池时,显示出优异的电化学性能:在1 A g-1电流密度下,循环400次,容量保持率高达90%以上,在电流密度高达8 A g-1时,依然可以获得415 mAh g-1的高比容量。另外,通过与单纯的MoP材料对比,说明通过合理的优化电极材料结构对于电化学性能有十分显著的影响。4.磷化铁因其较高的理论比容量和合适的嵌钠电位而逐渐引起人们的关注。然而,充放电过程中大的体积变化和较低的电导率使其在钠离子电池中的进一步发展受到限制。针对以上问题,本文通过引入导电材料设计合成了一种碳纳米管/FeP/碳（CNT@FeP-C）复合材料。利用纳米结构和导电材料的协同作用,CNT@FeP-C显示出优秀的储钠性能,在3A g-1电流密度下,循环1200次且没有明显容量衰减;在高达8 A g-1电流密度下容量依然能保持在272 mAh g-1。优异的循环稳定性和良好的倍率性能主要是由于碳纳米管和包覆的碳层有利于电子传导,同时能缓解充放电过程中的应力变化从而维持纳米活性材料的结构稳定性。5.缓慢的动力学反应被认为是高能量密度钠离子电池发展的最大瓶颈。本文通过引入具备赝电容特性材料使可逆反应在电极材料表面或近表面发生,有效的缩短离子和电子的扩散路径减少反应发生时间从而提高倍率性能和能量密度。为了最大程度发挥赝电容特性,采用水热法使二氧化钛和二氧化钼复合纳米颗粒均匀的生长在碳纳米管表面,制备了一维同轴的核-壳形貌的纳米复合材料（CNT-TiO2@MoO2@C）。将其应用于钠离子电池负极时,表现出优异的循环稳定性和倍率性能,在电流密度10 A g-1下,循环8000次容量没有明显衰减;在电流密度进一步增大到15和20 A g-1时,其可逆比容量稳定在175 mAh g-1并未随电流的增大而降低。