锂离子电池是迄今为止最具发展潜力的储能器件,在便携式电子设备和电动汽车领域已获得广泛应用。然而,锂离子电池的发展仍面临两个瓶颈问题:1)商业化石墨负极材料的结构特性阻碍了锂离子电池倍率性能和循环稳定性的进一步提升;2)锂资源匮乏限制了锂离子电池在规模化储能领域的应用。对于前者,创制结构新颖、组成可控的新型碳基负极材料替代商业化石墨负极是提升电池性能的关键。对于后者,作为锂离子电池的补充,开发新型钾离子电池用于规模化储能器件是行之有效的解决方案。创制针对大半径钾离子存储的负极材料是实现钾离子电池应用的关键问题。简言之,实现上述学术思想的核心在于建立并发展碳负极材料结构与组成调控新技术策略,探究材料结构与其电化学性能间的构效关系。本文以煤沥青及煤焦油的重要组分喹啉为原料,基于物理、化学方法设计并调控原料化学组成与分子结构,结合静电纺丝、模板复制以及气化-沉积-转化技术,创制结构与组成可控的新型碳基负极材料。具体内容如下:将聚丙烯腈与煤沥青混纺,并在高温下共碳化,制备了无定形碳基体中分布大量纳米碳簇的硬碳/软碳复合纳米纤维负极材料。材料内部的无定形碳区域具有快速的锂离子迁移能力。纳米碳簇能够提高材料的碳有序度,进而提高电子导电性。较快的离子和电子迁移速率使复合材料具备优异的倍率性能,在5 A g-1的大电流密度下,其可逆容量高达296 mAh g-1,容量保持率可达53.7%,是未引入沥青的聚丙烯腈基硬碳纤维的两倍以上。在1 A g-1下循环1000次,仍能保持323 mAh g-1的比容量,容量保持率高达99.7%。平均库伦效率可达99.8%以上。以煤焦油中的重要组分喹啉为原料,经AlC13催化交联制备具有较高氮含量(9.7 wt.%)的软碳前驱体,即富氮沥青。将其与聚丙烯腈混纺碳化,制备了具有较高氮含量的复合纳米碳纤维负极。与煤沥青复合的纳米碳纤维相比,较高的氮含量可有效提升储锂容量。此外,富氮沥青的引入可提高材料的碳有序度,降低缺陷密度,有助于生成稳定的固体电解质膜(SEI),降低大电流密度下锂离子在电极界面的转移电阻。在5 Ag-1和10 A g-1的大电流密度下仍能保持264 mAh g-1和240 mAh g-1的可逆容量。在2 A g-1下循环1000次,仍可保持302 mAh g-1,循环容量保持率高达88.0%。而聚丙烯腈基碳纤维在相同测试条件下的循环保持率仅为61.5%。进一步研究表明,碳有序度的差异是影响SEI性质,进而造成循环性能不同的主要原因。对于钾离子电池而言,以富氮沥青为软碳碳源,纳米氧化镁为模板,制备了具有薄壁纳米囊结构的沥青基富氮软碳材料。氮原子的原位掺杂,以及喹啉分子对位取代过程中部分由sp2杂化碳转化而来的sp3杂化碳,有效降低了碳化过程中烃分子间的π-π作用。扩大层的碳层间距以及相对有序的碳层排布对提高钾离子的扩散速率均起到了至关重要的作用;软碳材料相对有序的碳层排布和石墨化氮有利于提高π电子云密度,促进了电子的快速迁移,使材料获得优异的倍率性能。在0.05 Ag-1下,可逆容量高达293 mAh g-1,在5Ag-1下,仍可保持151 mAh g-1,容量保持率高达51.5%,其可逆容量约为煤沥青基材料的1.5倍和氮掺杂硬碳材料的5倍。为进一步提高沥青基碳材料储钾(锂)的能量密度,以煤沥青为碳源构筑了纳米盒结构的活性多孔碳材料,随后通过气化-沉积-转化法,制备了具有较高红磷负载量和纳米盒结构的红磷/碳复合材料。探究了复合材料中碳的微观结构及红磷负载量对钾离子和锂离子存储特性的影响,提出了高性能沥青基碳复合材料的构筑策略。三维多孔的碳骨架不仅为红磷提供了丰富的存储空间,而且可有效缓解红磷在充放电过程中的体积膨胀,相互交联的导电网络,降低了电荷传递电阻。红磷以超细的无定形态锚定于多孔碳基体的孔道中,有助于提高复合材料的循环稳定性。将其用于钾离子电池负极,在0.05 A g-1下的可逆容量高达682 mAh g-1;在0.5 A g-1循环500次的容量保持率可达84.4%。将其应用于锂离子电池负极,在0.1 A g-1下的可逆容量高达968 mAh g-1,在5 A g-1的大电流密度下仍可保持593 mAh g-1。