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随着生态环境的污染,化石能源的枯竭,人们越来越多地利用风能、太阳能等清洁能源来生产电能。因此,大型的储能设备受到人们越来越多的关注。锂离子电池和钠离子电池是目前研究最多,应用最为广泛的两类二次电池。但是,受限于低容量的负极材料,现有二次电池技术还不能满足大规模储能的需求。因此,必须寻找新型高比能的电极材料,满足二次电池能量密度高、循环性能好、倍率性能优的要求。新型高比能电极材料在循环过程中容易产生大的体积膨胀,而且导电性差,从而造成了差的循环性能和倍率性能。针对上述问题,本文以金属阳离子掺杂、碳复合等方式来提高材料的导电性,通过设计多孔结构来缓冲材料的体积膨胀,研究多孔负极材料的电化学性能与相关的理论机制,以期为新型电极材料的设计、合成与应用提供一些理论和实验依据。主要研究内容如下：(1)以碳酸锰为反应模板开发了一种简便的合成路线制备铜掺杂的氧化锰中空微球,电化学结果表明铜掺杂可显著改善氧化锰的电化学储锂性能。铜掺杂组分能够均匀地分布在中空微球样品中,Cu2+代替了Mn3+,嵌入到氧化锰晶格中。铜的掺入导致氧化锰由核壳结构转变为具有更大比表面积的中空结构。分析了中空微球的形成机理,测试了材料的电化学性能。铜掺杂中空微球主要由于柯肯达尔效应造成的。铜掺杂的空心球形氧化锰显示出高的锂离子储存性能,在100 mA g-1的电流密度下,在100次循环后仍然能够保持642 mA hg-1的高容量,是纯氧化锰样品的1.78倍,库仑效率高达99.5%。(2)在多孔泡沫镍基体上合成了均匀分布的锰掺杂的三维锗酸锌纳米片阵列。锰的掺入导致锗酸锌纳米结构发生了很大的演变,从纯锗酸锌纳米线阵列结构演变到锰掺杂的锗酸锌纳米片阵列结构。锰掺杂锗酸锌材料的电化学性能可以通过控制掺杂浓度来进行调控。锰掺杂的三维锗酸锌纳米片阵列分级结构显示出优异的电化学性能。在100 mA -1的电流密度下,100次循环后,仍然表现出1301 mA h g-1的高可逆容量。即使在2.0 A g-1的高电流密度下,仍然能够实现500 mA hg-1高容量。(3)以硅气凝胶为硅源,通过镁热还原的方法合成了一种三维多孔硅/碳复合材料。这种多孔硅材料是由一些硅纳米片相互连接形成的三维多孔结构。研究了这种材料的电化学性能。结果表明,三维多孔硅/碳复合材料作为锂离子电池电极材料表现出良好的电化学储锂性能。经过200次循环后,在200 mA g-1的高电流密度下,能够保持1552 mAhg-1的可逆容量和接近100%的库仑效率。在2.0A g-1的高电流密度下,硅/碳复合材料展现了1057 mA h g-1的高容量。这种硅/碳复合材料所具有的良好的锂离子储存性能,可以归因于丰富的多孔通道和良好的碳导电网络。(4)以有序介孔硅为硅源,通过原位镁热还原的方法,合成了一种有序介孔硅/碳复合材料。合成的硅/碳复合材料可以有效地保留介孔二氧化硅有序通道,并能提高材料的导电性和比表面积。通过调控碳的含量,可优化有序介孔硅/碳复合材料的性能。研究了材料的储锂性能。其中含碳量为7.05 wt%的硅/碳复合材料在200 mA g-1的电流密度下,100次循环后仍然保持1452 mAhg-1的高比容量,显示出其作为锂离子二次电池负极材料潜在的应用价值。(5)以氧化锗为锗源,采用简单的溶剂热方法合成了NH4H3Ge206立方前驱体,避免了危险的或昂贵的锗化合物的使用。由碳热还原NH4H3Ge2O6/RF复合材料合成了锗纳米粒子封装于多孔碳立方的结构。表征了材料的结构,测试了材料的电化学反应过程和电化学储锂、储钠的能力。研究结果表明：在200 mA g-1的电流密度下150次循环后锗/碳复合材料显示了1336 mA hg-1的高可逆储锂容量,同时具有较高的初始库仑效率85.1%。锗/碳复合材料也显示出优异的倍率性能,在4.0 A g-1的电流密度下,可逆容量为825mA hg-1。测试了这种结构材料的钠离子存储性能,在100 mA g-1的电流密度下,显示了优越的钠离子存储性能,比容量约为365 mA h g-1,接近于理论容量。在锂离子和钠离子电池中,锗/碳复合材料作为负极材料具有很好的应用前景。(6)以锡/石墨烯和红磷为原料,用一种简单的溶剂热方法合成了磷化锡/石墨烯纳米复合材料。充分利用锡的高导电性和磷的高容量的优势,将磷化锡纳米粒子均匀地负载在石墨烯纳米片,相互连接形成了三维的介孔结构。石墨烯纳米片不仅提高了复合材料的导电性,而且缓冲了体积膨胀。磷化锡/石墨烯显示了优异的钠离子储存性能。石墨烯含量为10.4 wt%的磷化锡/石墨烯纳米复合材料,在100 mA g-1的电流密度下,100次循环后仍然保持656 mA h g-1的高比容量。这种新的负极材料具有优异的长循环寿命,在1.0 A g-1的高电流密度下,经过1500个循环后,仍然能够保持362 mA h g-1的容量。具有良好的电化学性能,这种新型的磷化锡/石墨烯纳米复合材料,可以作为新型钠离子电池的负极材料。