随着能源的消耗和环境污染的加剧,新能源的开发和利用是人类面临的首要问题。目前,太阳能和风能等绿色能源的使用正在迅速增长,该领域的进一步发展需要智能和多功能的储能装置,如锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池和超级电容器。因此,电极材料的开发成为能量利用的关键问题之一。过渡金属氧化物或硫化物由于具有高的理论电容量,作为超级电容器的电极材料被广泛的关注。但是,由于常规过渡金属氧化物或硫化物的电化学活性比表面积比较小、导电性差和电解质离子通道少等问题,阻碍了其在实际中的应用。为了提高电极材料的利用率,对其进行纳米结构化设计和碳质基体复合是提高电容量的两种手段。空心碳球（HCS）作为碳族材料的一员,具有高比表面积、低密度、优良的导电性、可调孔隙率和良好的机械强度等优点,是几种比较优秀的碳质基体之一。过渡金属氧化物和硫化物与空心碳球进行复合,可以实现电极材料结构的纳米化和导电性的提高,从而达到电容量提高的目的。我们通过溶剂热直接生长、化学浴沉积、半牺牲模板和模板参与合成等方法,制备了一系列的空心碳球基电极材料,探索了复合材料的合成机理,研究了微观结构对其超级电容器性能的影响。主要的研究内容和结论如下:（1）采用简单的水热生长法制备了分等级结构的二氧化锰/氮掺杂空心碳球（MnO₂-NHCS）复合材料。在水热条件下,高锰酸钾和碳可以发生氧化还原反应,生成二氧化锰的纳米片。采用掺氮空心碳球为模板,通过简单的水热法将二氧化锰纳米片均匀的生长在空心碳球的表面,并对MnO₂-NHCS的合成机理进行了研究。MnO₂-NHCS复合材料具有NHCS核和由水钠锰矿型MnO₂纳米薄片组成的壳,NHCS不仅用作MnO₂纳米薄片生长的模板,而且可以用作导电通道促进电化学反应中电子的传输。与MnO₂空心球（MnO₂ HS）相比,MnO₂-NHCS复合材料的电化学性能有着显著的提高。由MnO₂-NHCS正极和NHCS负极组装的不对称超级电容器（ASC）,在功率密度为233 W kg^-1时表现出26.8 Wh kg^-1的高能量密度,远高于由MnO₂ HS正极和NHCS负极组装的ASC的能量密度(13.5 Wh kg^-1,229 W kg^-1);此外,MnO₂-NHCS的ASC在2000次循环中也表现出优异的循环稳定性。MnO₂-NHCS具有增强的电化学性能,使其成为用于超级电容器和其他能量存储装置的有前途的电极材料。（2）采用常温化学浴沉积法制备了花球状氧化镍/掺氮空心碳球（NiO/NCHS）电极材料。通过简单的化学浴沉积,在掺氮空心碳球表面生长花瓣形Ni（OH）₂纳米片,然后在氮气氛下350℃煅烧,获得在具有分等级多孔结构的NiO/NCHS。NiO/NCHS复合材料呈现出新奇的花状形态,其中超薄NiO纳米片垂直生长在NCHS表面,这种分等级纳米结构有利于促进电子和电解质离子的传输并加速可逆的氧化还原反应。NiO/NCHS复合材料的比电容(在1A g^-1下为585 F g^-1)高于纯NiO颗粒的比电容(在1A g^-1下为453 F g^-1)。同时,NiO/NCHS复合材料表现出优异的倍率性能和优异的循环稳定性。NiO/NCHS纳米复合材料的增强的超级电容性能表明它可以作为超级电容器的候选电极材料。（3）通过半牺牲模板法制备了具有独特核壳结构的氧化镍/掺氮空心碳球（NiO/NHCS）电极材料。首先,使用N-Carbon/SiO₂球作为模板制备NHCS表面上分布均匀的Ni（OH）₂纳米片,其中N-Carbon壳和SiO₂核分别作为非牺牲和牺牲模板;其次,通过煅烧处理将Ni（OH）₂/NHCS转化为NiO/NHCS。鉴于分等级结构的形成和NHCS的引入,NiO/NHCS复合材料在1 A g^-1下具有686 F g^-1的高比电容。此外,由NiO/NHCS作为正极和活性炭作为负极构成的混合超级电容器显示出增强的电化学性能、高能量密度(在193 W kg^-1时为30.5 Wh kg^-1)和出色的循环能力（5000循环后100%的容量保留）。（4）通过半牺牲模板法制备了分等级结构的四氧化三钴/掺氮空心碳球（Co₃O₄/NHCS）纳米材料。以氮掺杂碳/二氧化硅球（N-Carbon/SiO₂）为模板,通过水热法制备出具有核壳结构的掺氮空心碳球@碱式碳酸钴纳米片复合材料,随后的煅烧处理将其转化为Co₃O₄/NHCS。在水热合成过程中,NHCS作为一种硬模板,可以帮助在其表面生成碱式碳酸钴纳米片,而SiO₂核作为牺牲模板可以在该过程中被刻蚀去除。Co₃O₄/NHCS复合材料作为电极活性材料表现出优良的电化学性能,在1 A g^-1时具有581 F g^-1的高比电容,在20 A g^-1时具有91.6%的高容量保留率,优于对比样Co₃O₄纳米棒的电化学性能(在1 A g^-1时为318 F g^-1和在20 A g^-1时的容量保留率为67.1%)。此外,该复合材料用作正电极,制造的不对称超级电容器,可以在753 W kg^-1的功率密度下提供34.5 Wh kg^-1的高能量密度,并显示出理想的循环稳定性。（5）采用模板参与合成和阴离子交换的多步法制备了硫化镍纳米片/掺氮空心碳球（NiS/NHCS）复合材料。首先,以N-Carbon/SiO₂球作为模板,将均匀的硅酸镍纳米片沉积在NHCS的表面上;然后,通过水热条件下的阴离子交换法将硅酸镍转化成NiS纳米片,最终得到NiS/NHCS复合材料。其中,SiO₂核作为反应物,参与到产物的形成过程,并被逐渐被消耗掉。NiS/NHCS复合材料作为超级电容器的电极材料显示出优异的电化学性能,可在1 A g^-1下提供1150 F g^-1的高比电容和在4000次循环后容量保留率为76%,远高于纯NiS空心球(分别为400 F g^-1和63%)。此外,以NiS/NHCS为正极和活性炭电极作为负极组装的混合超级电容器,在160 W kg^-1的功率密度下提供38.3 Wh kg^-1的高能量密度,并5000次循环后容量保留率为96%。NiS/NHCS复合材料卓越的电化学性能表明其在高性能超级电容器中的潜在应用。因此,碳质基体的引入和纳米结构化的设计是提高过渡金属氧化物或硫化物导电性和有效活性物质利用率的两个重要策略。运用不同的合成策略制备了空心碳球基纳米材料,深入研究不同制备参数与工艺条件对空心碳壳基纳米复合材料的组成、形态、结构和性能的影响,从而揭示空心碳壳基纳米复合材料的构效关系及其对电化学储能的影响。