锂离子电池是一种新型的能源系统,广泛地用于各类电子设备,且随着在大范围的医用设备和航天等行业的应用中,安全问题日益凸显。开发高效率的清洁储能系统尤为重要。钠离子电池和锂离子电池的储存机制类似,并且在地球的地壳中存在着大量的钠资源。但是,由于钠离子半径比锂离子大,以及商业化的锂离子电池负极（石墨）的层间间隙小,不能有效地进行钠离子嵌入/脱嵌。因此,研制高能量密度、使用寿命长的钠离子电池负极材料,是解决大规模存储设备应用的重要方向。锑作为钠离子电池的负极材料,拥有高的理论比容量(660 m Ah g-1)和电压反应平台（0.5-0.8 V）,然而存在锑钠合金化过程中体积膨胀导致的循环稳定性差的问题。此外,除电极材料本身组成及结构外,电极活性层结构及所处应力状态对钠离子电池锑负极的储能效果亦有重要影响。目前还未见这一方面的研究报道。针对锑基负极材料存在的循环不稳定问题,本文一方面设计聚吡咯网络结构负载中空Sb纳米晶结构,拟利用柔性聚吡咯基体、网络结构、中空结构缓冲充放电材料体积膨胀,提高其结构稳定性;另一方面,通过实验和建模分析活性层结构（厚度及孔隙率）及电极所处应力状态对锑负极循环稳定性影响及机理,优化电极活性层结构。（1）利用原位化学还原法制备中空锑纳米晶-聚吡咯网络结构（Sb-PPy）负极材料。SEM、TEM、EDS、XRD、BET及TGA测试结果表明,中空Sb-PPy具有三维多孔网络结构,中空锑纳米晶负载在聚吡咯纳网络结构中。将其作为负极活性材料组装钠离子半电池和全电池,结果表明,中空Sb-PPy为负极的钠离子半电池展现了优异的循环稳定性和高倍率性能,在0.1 A g-1和0.5 A g-1的电流密度下经过100圈循环后具有544.3 m Ah g-1和483.9 m Ah g-1的高比容量。在1.6A g-1的电流密度下,可逆容量为467.9 m Ah g-1。这归因于中空结构、柔性PPy基体及网络结构对体积膨胀的缓冲效应、纳米晶体表面应力对体积膨胀的限制效应以及纳米晶尺寸效应增加的钠溶解度。中空Sb-PPy//Na3V2（PO4）3组装的钠离子全电池在功率密度为40.8 W kg-1和1036.9 W kg-1时的能量密度分别为212.4 Wh kg-1和156.5 Wh kg-1,具有良好的能量密度和功率密度。同时建立钠离子电池电化学-力学耦合模型对实心Sb-PPy和中空Sb-PPy分析电化学循环过程中的扩散诱导应力、应变分布。结果表明,在钠离子插入过程中,中空Sb-PPy负极材料的径向应力和切向应力均小于实心Sb-PPy负极材料。（2）制备活性层具有不同孔隙率的中空Sb-PPy负极,并对其组装的钠离子电池半电池和全电池性能进行研究。结果表明,当活性孔隙率在4.2%-42.2%（对应活性层厚度15-25μm）范围内时,钠离子电池循环性能、倍率性能、钠离子扩散系数及电子传递阻抗随活性层孔隙率的增加而增加。当活性层孔隙率在42.2%-63.9%（对应活性层厚度25-40μm）范围内时,随活性层孔隙率增加,钠离子扩散系数及电子传递阻抗下降。并利用COMSOL软件建立钠离子电池异构模型,分析钠离子电池循环过程中扩散诱导应力、钠离子浓度及电极电势与孔隙率之间的相关性。结果表明,五组模型之中体心立方结构负极的钠离子扩散速率最快,嵌入过程中导致的应力最小。且随着电极孔隙率的减小,充电过程中钠粒子浓度、活性颗粒应力增加,导致电池电化学性能下降。（3）为研究电极应力状态对中空Sb-PPy负极储钠性能的影响,制备了不同电极应力状态的中空Sb-PPy负极钠离子电池,并对其电化学性能进行研究。当电极表面应力为51.3×10~4、77.3×10~4、114.4×10~4和149.8×10~4 Pa时,电池阻抗分别为145.8、191.2、229.4和396.1Ω,由CV和EIS得到的扩散系数分别为14.4×10-11、10.8×10-11、6.8×10-11和6.0×10-11 cm·s-1,7.2×10-20、5.0×10-21、3.4×10-21和4.5×10-21 cm~2·s-1。结果表明,在一定范围内,增加电极所受应力会降低SEI形成和Na+嵌入电位,且随着电极表面应力的增加,电极内部电子传递和离子扩散速率速率下降,,导致电池可逆容量下降。