为满足电动车的快速发展,锂离子电池需要具备更高的能量密度和功率密度。过渡金属氧化物作为一种高容量的负极材料在锂离子电池中具有很高的应用前景。然而它们的导电性差、循环不稳定、倍率性能差等缺点,限制了其商业化应用。另外,清洁能源的发展需要大规模储能装置。钠离子电池在此领域比锂离子电池更有成本优势。合金基负极材料可以通过与钠离子发生合金化反应来存储电荷,具有高容量和低反应电势的优点,被认为是一类有应用前景的钠离子电池负极材料。这两种材料在电化学充放电反应中都面临由于体积变化大导致的容量快速衰减的问题。目前,科研人员为解决这一问题已做出了许多努力,例如电极材料纳米化、复合导电弹性矩阵、制备空心结构等。因此,通过设计制备纳米结构复合材料来提升电极材料的电化学性能的方法在两种电池中都是行之有效的。这也是本论文的研究出发点。本论文分以下两个方面开展了工作:1.利用硬模板法首次设计制备了开放式的氧化镍/碳纳米头盔复合材料（NiO/CNHs）。解决了空心碳复合材料堆积密度低,碳内壁无法利用的问题。NiO/CNHs异质结的碳内壁得到了充分利用为锂离子嵌入/脱嵌提供了额外的活性位置;开放结构有效缓冲了NiO在充放电循环中的巨大体积变化;NiO纳米颗粒与CNHs之间的良好接触显著降低了电极内阻;多孔开放的碳骨架为电解液提供了更有效的扩散路径。作为锂离子电池的负极材料,NiO/CNHs表现出优异的电化学性能:在0.3C电流密度下循环100圈后保留的容量高达1768 mAh g^-1;在15C电流密度下的容量为453 mAh g^-1,表现出优异的倍率性能;在7.5C电流密度下循环1500圈的容量为424 mAh g^-1,表现出优异的循环稳定。同时,这种开放式头盔状结构也能用于其他材料上。例如本文用类似方法制备了Co₃O₄/CNHs异质结材料,为开发高性能的锂离子电池负极负极材料提供了新方向。2.采用静电纺丝和原位取代相结合的方法,首次制备了锑/氮掺杂碳纳米项链复合材料（Sb/N-CNN）。作为钠离子电池的负极材料,Sb/N-CNN表现出优异的电化学性能:在20 A g^-1电流密度下的容量为314 mAh g^-1,表现出优异的倍率性能;在1 A g^-1电流密度下循环6000圈的容量为401 mAh g^-1,表现出优异的循环稳定性。如此优异的电化学性能应归因于Sb/CNN独特的项链状结构。这种结构提供了高效的电解液扩散路径和更多钠离子嵌入/脱嵌的活性位置;有效分散了Sb纳米粒子在循环过程中的体积变化应力;并减小了电极的电阻。另外,我们组装了Sb/N-CNN//Na₃V₂（PO₄）₃/C全电池。在100 mA g^-1电流密度下,全电池的初始充/放电容量分别为812和590 mAh g^-1,初始库伦效率为72.7%。循环100圈后,其容量仍高达445 mAh g^-1,说明Sb/N-CNN//Na₃V₂（PO₄）₃/C全电池具有良好的循环稳定性。