可再生和清洁能源被认为是未来人类生存和发展重要的物质基础,然而可再生能源的产生本质上是间歇性的,具有强烈的区域特征,在使用和发展这些新能源时需要高效的能源转换技术。此外,为了释放未来运输系统中对化石能源的依赖并减少二氧化碳的排放,迫切需要设计更环保、更高效的动力源取代传统燃油发动机。锂离子电池（LIBs）因其高能量效率,没有记忆效应,长循环寿命,高能量密度和高功率密度的优势,已主导了消费电子设备的主要市场,也已经为几种电动车提供动力,在保持能源可持续性和大幅减少碳排放方面具有巨大的全球潜力。目前商业化锂离子电池的负极基本选用石墨,然而其低的理论比容量(372mAh g^-1)很大程度上制约了锂离子电池往更高性能进一步发展。本论文基于基础电化学原理,在微纳结构设计的基础上结合复合化、杂原子掺杂等改性方法制备了碳基负极,并通过电化学测试手段验证了材料性能的提升。（1）通过碳化模板法所得聚吡咯（PPy）纳米管前驱体成功地制备了直径200-400纳米且长达几十微米的空心氮掺杂纳米管网络。其非石墨碳形态,一维空心管状结构,杂原子改性和交联的导电网络共同对纳米管电化学性能的提高做出了贡献,在高达4000 mA g^-1的电流密度下循环2000圈后仍能提供172 mAh g^-1的比容量。（2）过渡金属氧化物可弥补碳基材料有限的储能缺陷。因此我们利用简单易规模化的溶液燃烧法合成具有3D多孔网络结构的原位碳包覆双金属氧化物（ZnO-CoO@C）。受益于超细金属氧化物和导电碳层之间的协同效应,表现出显著提升的比容量和循环寿命(在2000 mA g^-1的高电流密度下700次循环后比容量为503 mAh g^-1)。利用ZnO-CoO@C作为负极和商用NCM523作为正极组装的全电池在100 mA g^-1的电流密度下循环充放电100次后显示出94 mAh g^-1的高充电容量。