可充电电池在生产生活中大量应用,其中锂离子电池凭借其能量转化效率高、无记忆效应等优点,受到广泛关注;高理论能量密度的锂硫电池由于其在长距离行驶的电动汽车中的应用前景广阔,有望成为新一代的储能系统。然而,锂电池的电极材料还存在一些不足,限制其进一步发展。例如,锂离子电池需要更高容量的负极材料;锂硫电池正极的硫体积结构变化大、导电性差,多硫化物穿梭效应等问题。本论文以研制新型高性能锂电池电极材料为出发点,深入探索电化学性能构效关系,以及阐明储能增强机制等。主要研究内容和创新点如下:（1）受到自然界的含羞草叶结构启发,通过模板法制备了一种新型的含羞草叶结构的锂离子电池SnO₂负极材料。通过密度泛函理论（DFT）计算了由锂化引起的主应力变化,研究发现其在充放电循环过程具有稳定的机械力学性能。同时,采用原位透射电子显微镜技术观察了实时锂化动态过程。储锂性能方面,含羞草叶结构SnO₂负极在0.2 C下200次循环后显示出760 mAh g^-1的稳定容量,经过四次重复的倍率性能测试后仍保持99%的高容量保持率。（2）基于上述研究成果,我们进一步地提出了一种新型的纳米复合材料作为锂硫电池正极,该复合材料由含硫的含羞草结构碳层组成。仿生结构能够在结构上对充放电过程中硫的体积变化起到缓冲作用,碳基又为快速电子转移提供了良好的导电通道。基于碳/硫复合材料的锂硫电池具有良好的电化学性能,1000次循环后的稳定容量,高达99.6%的库仑效率以及良好的倍率性能。此外,我们还研究了密度函数理论模型,该模型确定了碳对包括Li₂S₄,Li₂S₆和Li₂S₈在内的多硫化物的吸附作用,实现了长期循环稳定性。（3）设计合成了一种新型的板栗壳状复合材料,该复合材料由碗状空心TiO₂上的硫和聚苯胺（PANI）水凝胶组成。研究表明,TiO₂@PANI/S复合材料应用于锂硫电池正极,具有优良的电化学性能。在0.2 C下200次循环后,容量高达1058 mAh g^-1,库伦效率为99.8%。在反复测试下,复合材料还具有可恢复的倍率性能。又深入研究了锂离子扩散系数,发现板栗壳复合材料能够实现快速的锂离子传输。此外,密度泛函理论计算证实了TiO₂对多硫化物Li₂S₄,Li₂S₆和Li₂S₈的强吸附作用,可以有效地抑制穿梭效应。上述研究为研制高性能可充电电池储能材料提供了一些新的思路,理论模型研究增效原理也为设计最优化储能电极材料奠定了理论基础。