能源危机和环境污染问题的日益严峻迫使人们逐渐开始重视清洁可再生能源。然而新型可再生能源如太阳能、潮汐能和风能等普遍存在着间歇性和随机性的特点,因此大规模储能站的应用,才是这些新型能源持续发展的关键。在众多储能技术中,锂离子电池由于其能量密度高、功率密度高等优点近年来得到了广泛的应用。然而,因为锂资源在地壳中的储量有限且分布不均匀导致其价格昂贵,进而严重限制了其在大规模储能领域的应用。虽然钠离子电池和钾离子电池的能量密度并没有优势,但两者的资源丰富和环境友好的特点使其在能量密度要求不高的大规模储能领域有机会可以大放异彩。本文制备了不同元素掺杂的三维石墨烯,并分别将其应用于钠、钾离子电池。测试了不同杂原子的掺杂量以及掺杂元素对其电化学性能的影响;同时,关于所制备的材料在电池体系中与电解液的相互作用进行了深入的探讨;最后,在对电解液和关键参数做了相应的优化后,成功将其应用于钠离子全电池体系。具体研究内容如下:（1）成功合成了具有多级孔隙、较大的层间距离和较高杂原子掺杂量的三维氮、磷共掺杂石墨烯气凝胶（NPGAs）,并且表现出优异的钾离子存储性能。对比研究发现,用双（氟磺酰）亚胺钾（KFSI）替代六氟磷酸钾（KPF6）作为电解质可以提高材料的库仑效率、比容量(100次循环后100m A g-1,507 m Ah g-1)以及循环性能(3000次循环后5000 m A g-1,106 m Ah g-1)。进一步的动力学分析表明,在KFSI-EC/DEC电解液中形成的固液界面（SEI）膜使NPGAs表现出更高比例的钾离子电容性存储行为、更低的电阻以及更快的钾离子扩散速率。非原位X-射线光电子能谱（XPS）、扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）均证实,在电极表面形成了物理柔韧性好、化学稳定性高的无机成分占主导的SEI膜,从而使NPGAs钾存储能力得到了极大的提高。（2）通过一步水热法成功合成了氮、硫共掺杂的三维石墨烯框架（NSGFs）,并在醚类电解液中表现出较高的钠存储容量。通过与石墨烯框架（GFs）和氮掺杂石墨烯框架（NGFs）的比较,NSGFs的高比容量主要源于Na离子在石墨烯层之间的自由扩散和-C-Sx-C-共价键与Na离子的可逆反应。因为NSGFs具有较大的晶面间距离和大量的-C-Sx-C-共价链,因此NSGFs电极表现出极高的首圈库伦效率ICE（92.8%）,在0.1 A g-1时比容量为834.0 m Ah g-1,在5A g-1时的倍率性能为261.1 m Ah g-1。动力学分析表明,N/S共掺杂的协同效应不仅能大大提高NSGFs的Na离子扩散速率,还能降低其电化学阻抗。SEM、XPS、高分辨透射电镜（HTEM）和拉曼光谱（Raman）等检测技术均表明,三维石墨烯基体具有非常稳定的物理化学结构,并在NSGFs表面形成了均匀的超薄的富含无机物的SEI膜。重要的是,这种钠的存储性能和机制只适用于醚类电解液,在碳酸酯类电解液中会受到抑制。此外,还首次报道了S原子和醚类电解液协同作用下铜箔的腐蚀。这种腐蚀产生的副产物包括Cu S和Cu P2可以提供额外的Na存储容量。（3）基于NSGFs、磷酸钒钠全电池体系开展了一系列的研究。结果表明:普通醚类电解液在高压下易分解,无法用于全电池的组装。将电解质盐浓度提高后,可以使正极材料磷酸钒钠在2.5-4.0 V之间稳定循环。将高浓度醚类电解液用于组装全电池,实现了0.6-3.7 V之间稳定充放电。即使在循环50圈后可逆比容量仍有598.4 m Ah g-1,同时也展示出了极好的倍率性能,5.0 A g-1的电流密度下可逆比容量仍有480.3 m Ah g-1。该论文共有图49幅,表8个,参考文献142篇。