电极材料的性能对于改善电化学储能器件的功率密度和能量密度至关重要。通过设计电极材料的微观结构可以有效改善其电子和离子传输能力,提高电极材料的可用比容量和稳定性,进而提高器件的能量和功率密度。作为电池电极材料,多壳层空心球拥有杰出的结构优势。包括:(a)壳层上均匀的孔道确保了电解液可以方便地进入多壳层内部,使得电解液与活性物质充分的接触,提供更多的氧化活性位点,在高电流密度下获得更高的比容量;(b)由于空心结构材料一般由20-40nm颗粒组成,壳壁很薄,缩短了电子和电荷的传输路径;(c)内部的自由体积可以缓解在充放电过程中材料的膨胀,加上材料良好的机械性能,空心结构材料拥有良好的循环寿命。根据前人总结,作为电极材料,多壳层的结构设计对电池电极材料电化学性能有着明显的改善作用。本文通过改良的碳球次序模板法,控制合成条件,分别成功合成了(Co2/3Mn1/3)(Co5/6Mn1/6)2O4多壳层空心球及Fe2(MoO4)3多壳层空心球,并探索了其结构对电化学性能的影响。主要成果如下:首先,通过调整金属前驱体、吸附温度、吸附时间、吸附溶液中乙醇含量,同时改变Co3O4晶格中Mn原子的掺杂,调控复合氧化物的结晶温度,利用碳球次序模板法成功的制备了 1至7壳层(Co2/3Mn1/3)(Co5/6Mn1/6)2O4空心球。得到的(Co2/3Mn1/3)(Co5/6Mn1/6)2O4空心球颗粒尺寸均一,表面褶皱且有均匀的孔,拥有较大的比表面积和孔体积。空心球为尖晶石相,Co3+/Co2+的比例大概为2/1,Mn3+/Mn2+的比例约为1/1,Co2+/Mn2+约为2/1,Co3+/Mn3+大概为5/1,与(Co2/3Mn1/3)(Co5/6Mn1/6)2O4化学计量比一致;Co、Mn元素均匀的分布于空心球。通过控制煅烧气氛,调整碳球模板的燃烧速度,探索了碳球燃烧速度对多壳层(Co2/3Mn1/3)(Co5/6Mn1/6)2O4空心球形成的影响;同时,通过在Co3O4中掺杂不同比例的Mn原子,调控CoxMnyO4结晶温度对多壳层CoxMnyO4空心球形成的影响,当Co/Mn的摩尔比例为3.75时,结晶速度最快,得到了 七壳层(Co2/3Mn1/3)(Co5/6Mn1/6)2O4 空心球。多壳层(Co2/3Mn1/3)(Co5/6Mn1/6)2O4空心球作为碱性电池正极材料拥有良好的电化学性能,且随壳层数增加,电化学性能提高,七壳层空心球性能最优异。七壳层(Co2/3Mn1/3)(Co5/6Mn1/6)2O4空心球在三电极系统下拥有较高的比容量和良好的循环稳定性(1 A/g电流密度下,拥有236.4 mAh g-1比容量;电流密度8A/g下,恒流充放电循环2000次后能够保持96.06%的比容量)。以七壳层(Co2/3Mn1/3)(Co5/6Mn1/6)2O4空心球作为正极材料,以活性碳作为负极材料的碱性水溶液非对称电池原型器件,电化学性能良好,拥有较高的比容量和循环稳定性(在扫描速度为3 mV s-1,表现出137.45 mAh g-1的比容量;在电流密度0.5 A/g下,表现出106.85 mAh g-1的比容量;在电流密度1 A/g下,恒流充放电3000次,仍然能够保持84.17%的初始容量)。多壳层空心球用作钠离子电池电极材料拥有很多优势:可以缓解体积膨胀,缩短钠离子传输路径等。本章合成了多壳层Fe2(MoO4)3空心球,考察结构对其钠离子存储性能的影响。首先,通过柠檬酸螯合钼酸根离子,抑制MoO42-和Fe3+的双水解作用,成功的将金属离子一步吸附进入碳微球次序模板,经过煅烧,获得多壳层Fe2(MoO4)3空心球,并深入研究了柠檬酸在多壳层Fe2(MoO4)3空心球合成过程的重要作用。该方法不仅仅适用于多壳层Fe2(MoO4)3空心球的合成,同时也适用于NiMoO4、MnMoO4等由金属离子和金属酸根离子组成的二元金属氧化物多壳层空心球的合成。由于多壳层Fe2(MoO4)3空心球拥有粗糙的表面、内部壳层间自由体积、较大的比表面和孔体积,作为钠离子电池正极材料,电解液可以容易的进入多壳层内部,提供更多的氧化还原活性位点,缩短钠离子和电子的传输路径,缓解充放电过程中由于钠离子的嵌入和脱出引起的体积变化而产生的应力。所以,多壳层Fe2(MoO4)3空心球拥有优异的电化学性能,特别是五壳层Fe2(MoO4)3空心球拥有较高的比容量(99.03mAh/g)、良好的循环稳定性(2.2C电流密度下循环100次,仍然能够保持85.6mAh/g的容量)、及优良的倍率性能(10C电流密度下,表现67.4mAh/g)。此工作对多壳层空心球的合成有一定的指导意义,为合成具有优异性能的电化学材料提供了新的思路。