锂电池自1950年首次研发至今,经历多次变革。特别是自1991年以后,可充电锂离子电池以其高的能量密度,优异的循环性能,出色的倍率性能,低的自放电率和无记忆效应等优点逐渐占据便携式电子设备(如手机、笔记本电脑)的主要储能元器件市场。近些年,电动汽车行业的快速发展促使人们开发具有更高能量密度的新型锂电池来满足混和动力汽车和纯电动汽车对储能元器件更高的要求。开发新型高容量锂离子电池负极材料替代商业化石墨电极对提高锂离子电池的整体性能具有重要意义。二氧化锡负极具有高达782 mAh/g的理论比容量,是商业化石墨电极的两倍以上,是最具前途的锂离子电池负极材料之一。但是,在充放电过程中二氧化锡负极经历巨大的体积变化从而导致电极粉化,致使活性材料电接触失效和电池容量快速衰减。另外,以单质硫为正极,金属锂为负极的锂-硫电池具有高达2600 Wh/kg的理论能量密度,是最具开发前途的新型锂电池之一。但是,硫正极差的导电性、大的体积效应、可溶多硫化物的穿梭效应等缺点导致锂-硫电池活性物质利用率低、循环寿命低、倍率性能差,阻碍了锂-硫电池的商业化应用。具有共轭结构的导电聚合物聚吡咯具有优异电荷传输性,可逆电化学氧化还原性,制备简单,环境友好和机械柔韧等诸多优点。将聚吡咯作为基体引入二氧化锡负极和硫正极的设计中,制备新型聚吡咯基电极材料是改善锂离子电池和锂-硫电池电化学性能的有效途径。本文报道了一系列聚吡咯基二氧化锡负极和聚吡咯基硫正极的制备方法,并对其电化学性能进行表征,同时探索聚吡咯基体的结构对电极材料电化学性能的影响。本文的主要研究内容和结论包括:(1)首先,探索简单一步法制备二氧化锡纳米材料的可行性。通过控制聚乙烯吡咯烷酮的加入量控制二氧化锡的纳米结构并且对电极的电化学性能进行系统的研究。其中二氧化锡纳米片在0.2 A/g的电流密度下具有高达2231 mAh/g的放电容量,60个循环后其放电容量为668 mAh/g。4 A/g大电流密度下放电容量为387 mAh/g。与二氧化锡微晶和纳米花相比,二氧化锡纳米片出色的放电容量和倍率性能证明二氧化锡负极的纳米结构直接影响电池的电化学性能。之后,将聚吡咯基体引入电极结构设计中,制备聚吡咯包覆二氧化锡空心纳米球电极,考察聚吡咯基体对电极材料电化学性能的影响。作为导电基体,聚吡咯壳在增加电极材料导电性的同时能够缓冲电极在充放电过程中的膨胀。引入聚吡咯基体后,电极的循环稳定性,倍率性能和库伦效率均得到改善。(2)以聚苯乙烯纳米球为模板制备聚吡咯空心纳米球作为导电基体,负载硫单质后作为锂-硫电池正极材料。聚吡咯空心纳米球基体可以减轻充/放电过程中硫颗粒巨大的体积变化,增强电极的导电性能。同时通过控制多硫化物的扩散,抑制其引发的穿梭效应。制备的聚吡咯空心纳米球基硫正极具有优异的电化学性能,在0.2 C电流密度下首次放电容量高达1563.3 mAh/g,300次循环后,放电容量保持率为89%。聚吡咯基体的引入极大地提高了硫正极的各项电化学性能。(3)首先,以甲基橙和三氯化铁在溶液中自组装为化学模板,采用自降解法制备聚吡咯纳米管作为前驱体。之后通过与氢氧化钾混合碳化得到聚吡咯衍生多孔碳纳米管。发现4-5 nm的介孔最有利的硫的负载,硫能够通过介孔嵌入纳米管的内部,从而增加材料中硫含量。此外,介孔结构可以提供有效的电解质扩散途径,从而加速电荷的转移,并避免可溶性多硫化物直接暴露于纳米管之外,抑制“穿梭效应”。之后,通过简单一步法制备了同轴硫-聚吡咯纳米管正极材料。聚吡咯骨架可以促进电荷传输,抑制可溶性多硫化物扩散,同时缓冲硫的体积效应,提高循环稳定性、倍率性能和库伦效率。均匀的电化学活性硫层可以高效地与锂离子反应,提高活性材料利用率。所制备的同轴硫-聚吡咯纳米管正极0.05C电流密度下具有高达1117 mAh/g的初始放电容量,200个循环后,在0.2 C和1 C的电流密度下,放电容量分别为692 mAh/g和525 mAh/g。在5 C的大电流密度下容量保持在284 mAh/g。(4)将二氧化锡纳米颗粒分散在聚吡咯纳米管基体上,制备聚吡咯基二氧化锡负极材料。在充放电过程中,聚吡咯纳米管骨架有助于促进电荷的转移和缓和电极的体积膨胀。超细二氧化锡纳米颗粒和其引入的多孔结构利于电解液的扩散,提高二氧化锡活性材料利用率。制备的聚吡咯基二氧化锡负极具有优异的循环寿命和倍率性能,在1 C的电流密度下,300个循环后能够保持605.0 mAh/g的放电容量,在2 C的大电流密度下,其放电容量为422.2 mAh/g。另外,将此聚吡咯基二氧化锡复合材料作为基体负载硫,制备新型三元锂-硫电池正极材料。在其独特的纳米结构中,聚吡咯纳米管充当导电基体提高硫正极的导电性能,缓冲硫正极的体积膨胀,并相对限制多硫化物的扩散。二氧化锡纳米颗粒与多硫化物直接形成化学键,高效地捕捉多硫化物以减轻锂-硫电池的穿梭效应。复合材料的大比表面积和多孔结构有利于容纳硫颗粒和硫化锂。结果表明,64.7%硫含量的聚吡咯-二氧化锡-硫三元正极在1 C电流密度下,500次循环内放电容量衰减率为0.05%并且保持90%以上的库伦效率,在5 C电流密度下保持383.7 mAh/g的放电容量。