锂离子电池在目前的储能系统市场中占有很重要的地位,市场对锂资源的需求日益剧增,然而锂资源供不应求,亟需寻找替代品,所以曾被遗忘的钠离子电池重新获得关注。与锂离子电池相同的工作原理、大量的能共用的相关研究,令钠离子电池的发展迅猛,然而适用于锂离子电池的石墨负极对于钠离子而言,层间距过小,不足以支撑二次电池高密度长寿命的发展。为了适应市场更高要求的发展,各种碳材料被反复研究。目前,研究人员倾向于为碳材料制备更丰富的孔洞,致力于令电极材料获取更多的活性位点;其次,非金属原子的掺入也可以在一定程度下提升电极放电容量。本论文根据前人研究设计了几种碳材料,并对它们进行了对比分析,特别针对最优材料作出了深入研究。利用简易的静电纺丝技术与硬模板法,成功制备了三款碳纳米纤维。根据对比分析,三款碳材料的各种物理性质,包括XRD与拉曼显示的碳结构、孔洞主要尺寸类型、外部形貌,均没有明显差异。而最具差异性的物理性质——比表面积,与碳材料前驱体硬模板的占比成线性关系,后者更与三者电极的可逆容量成线性关系,足以证明该碳材料设计的可控性以及孔洞数目对碳电极的影响。上述中最具潜力的一种碳材料因其独特的形貌而被命名为丝瓜络状碳纤维,主要由大量的硬模板在自身磁性的吸引和碳壁的作用下排列成线型造成的。独特的设计使该材料应变力更低,稳定性更高,离子扩散更快速,最终应用于钠离子电池时可以展现出超长寿命以及很高的可逆容量。常温环境,该电极在500 mAg-1下充放电测试2000次后,可逆容量具有269 mAhg-1;10 mAg-1的大电流密度下循环5000次后,比容量可以保持在143 mAhg-1。高温50℃环境,在大电流密度15mA g-1下进行充放电循环,电极比容量很稳定,在过万圈后仍有156 mAhg-1。在全电池中,电极同样展现出很好的性能,比容量可以达到182 mAh g-1。通过赝电容行为分析和动力学计算可以验证电极材料的高容量与稳定性,电容性控制分析和外原位拉曼结合共同验证电极材料充放电过程中存在有插层反应与吸附反应。而氮掺杂的影响可以通过不同的氮掺杂模型密度泛函理论计算得出,纳米孔与吡咯/吡啶氮结合,可以有效提高碳材料对钠离子的吸附,从而提升碳材料容量。因此,丝瓜络状碳纤维有望成为新一代钠离子电池的负极材料,以取代锂离子电池的地位。