能源储存和转化已成为能源结构调整和环境保护治理问题上至关重要的环节,开展储能器件活性材料的结构设计、性能优化、可控制备以及构效关系探讨具有重要的学术意义和应用价值。炭材料以其多变的结构形式、稳定的化学性质成为如双电层电容器、锂离子电池、钠离子电池等储能器件的主要电极材料。炭材料的储能特性与其比表面积、孔道结构、晶体结构等因素有关,针对不同应用器件其结构特点要求不同,对炭材料前驱体的来源和分子特性则提出了更高要求。木质素是一种生物质炭材料前驱体,其来源广泛且易于实现分子结构的调控和改性,但是在实际应用中通常被视为固体废物或低级燃料。由此,以木质素作为前驱体,依托于木质素天然的三维网络分子结构和丰富的含氧官能团,通过化学改性等方式制备出高性能活性炭、硬炭和复合炭材料不仅提升储能器件的性能,而且实现了资源的高附加值利用,并展现出良好的应用潜力。本论文以木质素基炭材料为研究对象,围绕应用于不同储能器件中炭材料的结构设计、制备工艺、构效关系以及电化学储能机制等开展工作。第3–4章的主要内容为:以预添加活化剂的反相成型改进化学活化法和溶剂调控胶体颗粒尺寸的方式,分别制备具有高度连通三维孔道结构和纳米尺度规整形貌的两种球形多孔炭材料,利用多种表征手段测定其物化性质,评价其电化学性能,并考察其孔道结构对电化学反应动力学的影响;第5章的主要内容为:采用酚醛树脂化改性木质素纳米球方法制备出兼具大碳层间距和晶体尺寸的木质素基硬炭材料,利用多种表征手段测定材料的物化性质,评价其用于钠离子电池负极时的电化学特性,探究硬炭材料的储钠机理;第6章的主要内容为:采用球磨混合法、高温热解法制备出具有不同炭负载结构的木质素基炭/Fe Se2复合材料,利用多种表征手段测定该复合材料的理化性质,评价其用于钠离子电池负极材料的电化学特性,探究木质素在含铁化合物作用下成炭的衍化机制和炭结构与材料电化学性能间的构效关系。论文取得如下研究结果:（1）建立了一种以活化剂预添加的反相成型化学活化改良方法,获得具有高孔道连通性三维孔道结构体系的木质素基层次孔炭微球。材料的适宜制备条件为:K2CO3与木质素的质量比为0.75,反相成型蒸发温度为85°C,活化反应温度为850°C。由此所得的多孔炭材料在双电层电容器中应用的质量比电容量可达140 F g–1,体积比电容量可达65 F cm–3,这与其具有较大的比表面积(1529 m~2 g–1)和全孔体积(1.02 cm~3 g–1)和优良的孔道结构有关,10000次循环测试中电容保持率为89%。研究结果表明:K2CO3在多孔炭的制备过程中陆续发挥了p H调节剂、模板剂和活化剂的作用,首先由K2CO3所占据的位置形成中孔,随后由内而外地在微球内部进行活化,在形成微孔孔隙的同时将材料内部中孔相互连通,形成供离子快速扩散的通道,这也大幅提高活化反应效率,使碱炭比大幅降低,拓展了该改进化学活化法的应用前景。（2）采用溶剂调控胶体颗粒尺寸的方式制备出平均粒径在0.15–1.4μm范围内可自由调整的木质素胶体颗粒,再经过活化反应得到比表面积可达2566 m~2 g–1、全孔体积为1.53 cm~3 g–1的木质素基层次多孔炭纳米球。由此得到的材料在有机系和离子液体电解液的双电层电容器中比容量可达147和160 F g–1,在10 A g–1电流密度时仍保持117和108 F g–1,在10000次循环后,容量保持率为81%。研究结果表明:丙酮和水的二元溶剂可与木质素分子上疏水和亲水基团相作用,在范德华力和π-π共轭效应下形成胶体颗粒,其尺寸由丙酮的相对含量所决定。研究还发现:小粒径的多孔炭纳米球能有效地提高样品表面能,增强其电化学吸附能力并缩短离子扩散路径,进而有助于实现材料电容特性和倍率性能的提升。（3）采用酚醛树脂化改性方法制备出兼具大碳层间距(d002=0.370 nm)和微晶尺寸（La=6.13 nm）的木质素基炭纳米球,其在钠离子半电池体系中表现出高达345 m Ah g–1的比容量和74%的首次库伦效率,在全电池中基于负极的比容量达到279 m Ah g–1,并且具有良好的循环稳定性。该种材料的适宜制备条件为:酸性条件下树脂化反应温度为90°C,反应时间为12 h,炭化最佳温度为1300°C。研究结果表明:甲醛参与的酚醛树脂反应能够使木质素分子/单体倾向于线性缩聚,从而维持木质素基纳米球的球形形貌并增强其热稳定性,而在后续的热处理过程中可形成尺寸更大的类石墨微晶,进而有助于材料容量特性的提高。结合材料的微晶结构与其电化学性能可以发现:低压平台段容量对应于钠离子嵌入类石墨层间的行为,高压斜坡段容量则对应于材料在缺陷位点的吸附式储钠行为,与硬炭材料“吸附-嵌入”机理相符合。（4）采用球磨混合和高温热解联用法,制备出以木质素基炭材料为负载材料、以Fe Se2为活性物质的高性能C/Fe Se2复合材料,该种复合材料用于钠离子电池负极的最佳比容量可达433 m Ah g–1,在10 A g–1时最高达到213 m Ah g–1,并表现出优异的循环特性。研究揭示木质素在含铁化合物催化下的碳结构衍化机制为:低温下从木质素中逸出的含碳小分子进入柠檬酸铁晶面形成较小的类石墨微晶结构,当温度升高后被还原的Fe物种可进一步催化周围碳原子形成石墨碳结构。另外,研究发现:低热解温度下复合材料活性物质Fe Se2含量较高,表现出较好的容量特性;而高温热解下复合材料的炭负载物已高度石墨化,材料整体电子导电性大幅提高,以此可为以转化反应机制储钠的Fe Se2提供电子传输通道,进而实现其倍率性能的大幅提升。