全球变暖和化石燃料的枯竭对人类的可持续发展造成了严重的威胁。为了应对这些挑战,大量的研究致力于开发和利用来自于太阳能、风能等其它可代替能源以及可再生能源的能量。考虑到这些能源的间歇性,需要可靠的能量存储系统以稳定和易控制的方式来存储和传递获得的电力。抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能和电化学储能系统是众多能量存储系统中关键和主要的成员,已引起越来越多的关注。可充电电池和超级电容器是电化学储能系统的两个重要技术子类,且已经得到了广泛的应用。尽管其它类型的可充电电池,如钠离子电池、镁离子电池和铝离子电池等,也在不断发展,但其广泛商业化受到其安全性差、持续时间不足以及可操作性等问题的严重妨碍,因此,当前的可充电电池的市场仍由锂离子电池统治。锂离子电池和超级电容器工作过程都依赖于其电化学过程,但遵循不同的工作原理,因此表现出不同的储能特点。锂离子电池充放电是基于发生在块体电极材料中的扩散控制的法拉第反应,因此过程是缓慢的。块体储能机制使得锂离子电池具有高能量密度(高达180Whkg—1),但是同时具有有限的功率密度和较短的寿命(通常只有几百个周期)。与锂离子电池不同,超级电容器通过在电极/电解液表面的快速可逆吸附或在表面/靠近表面的快速氧化还原反应存储电能。因此,超级电容器有着更高的功率密度(>10kWkg-1)、超长的循环寿命(>105个周期)和良好的可靠性等巨大的优势。然而,超级电容器的能量密度比锂离子电池低得多,商业化的超级电容器通常小于10Whkg-1。因此迫切需要改善当前锂离子电池和超级电容器的储电性能来满足未来电子设备日益严格的要求。过渡金属氧化物被认为是最有潜力的用于锂离子电池和超级电容器的电极材料,因为其具有成本低、易于合成和环境友好等优点,然而单一组分的过渡金属氧化物过快的比容量(电容)衰减、差的导电性、明显的体积膨胀和大的电压滞后,使得它们的商业化严重受挫。制备具有两种或多种组分,形貌易控制的过渡金属氧化物的复合材料对提高锂离子电池和超级电容器的储电性能具有非常重要的意义。本论文通过采用不同的策略成功地设计和制备了具有微纳米尺寸、大的比表面积、良好导电性和结构稳定性以及快速的离子和电子传输的复合材料。复合材料的特殊结构使其具有比单一组分优异的电化学性能,如高的比容量(电容),长的循环寿命和高倍率性能,这主要归因于多种组分的协同作用。本论文的研究工作如下。(1)通过结合溶剂热和溶胶-凝胶法成功构建了三维多孔的Co3O4@a-TiO2核壳微/纳米结构,值得一提的是,通过在溶胶-凝胶过程中精确调节乙醇和水的体积比可获得具有可控孔径的壳层a-TiO2。这是首次使用核壳Co3O4@a-TiO2微/纳米结构作为锂离子电池的负极材料。该复合结构的电化学性能与其结构息息相关。这种新颖的复合结构作为先进的锂离子电池负极材料时表现出高的比容量,长的循环寿命和良好的倍率性能,主要归因于壳层a-TiO2优异的稳定性,核层Co3O4的高比容量和复合材料优化的孔径分布。在0.5 Ag-1的电流密度下获得800 mAhg-1的高可逆比容量,在60次充放电循环后依然保持该比容量稳定。(2)过渡金属氧化物分级结构的制备已经得到深入研究,但是合成多组分分级结构的过渡金属氧化物仍然存在巨大挑战。本文中报道了一种通用的方法来制备三组分过渡金属氧化物,即MnO2@NiO/NiMoO4纳米线@纳米片分级多孔复合结构(MnO2@NiO/NiMoO4HPCSs)。通过化学溶液法以及随后的煅烧处理,MnOOH@NiMo前驱体拓扑转化为MnO2@NiO/NiMoO4 HPCSs,并没有发生显著地结构变化,超薄的NiO/NiMoO4纳米片互连成蜂窝状结构并且具有丰富的间隙孔。对比实验结果表明六次甲基四胺和溶液体系在MnOOH@NiMo前驱体的形成过程中起到重要作用。当用作超级电容器电极材料时,单位面积负载量高达5 mg cm2 的 MnO2@NiO/NiMoO4HPCSs 在 1 Ag-1 的电流密度下提供 918 F g-1 的比电容,并且保持良好的循环稳定性,其显示出比单一组分组成的电极材料更好的电化学性能。基于MnO2@NiO/NiMoO4HPCSs(正极)和活性炭(负极)的高电压非对称超级电容器表现出优异的循环稳定性,高的能量密度(26.5 Wh kg-1)和功率密度(401 Wkg-1)。证实了该多组分分级结构作为先进的超级电容器电极材料的优越性。(3)金属有机簇是零维的、独立的、离散的分子,其具有多于一个的金属中心,是通过桥连阴离子和外壳有机配体聚集成的一个整体。到目前为止,还没有以金属有机簇为前驱体来制备微/纳米复合结构的报道,并且其独特的结构带来的优异性能也未被发现的。本文中,通过在氩气氛围中500 ℃下热解混合价的八核Mn簇得到了一种特殊的复合结构,MnO@Mn3O4核壳纳米颗粒嵌入在氮掺杂的多孔碳骨架内,即MnO@Mn3O4/NPCFs,并将其应用于锂离子电池。由于其新颖的结构和组成特点,这些独特的MnO@Mn3O4/NPCFs表现出优异的电化学性能:超高的比容量,超长的循环稳定性和优异的倍率性能,同时解决了电极材料在充放电过程中的粉化、慢的离子/电子动力学、颗粒团聚等问题。这为设计和构造下一代的锂离子电池负极材料开辟了新的途径。(4)通过简易的两步法成功制备了高比容量的MoO2/石墨烯复合材料,即MoO2纳米颗粒均匀地分散在rGO纳米片上。在MoO2NP/rGO二维纳米复合结构中,rGO可以作为负载具有电化学活性的MoO2纳米颗粒的有利支撑,同时,Mo02纳米颗粒的存在有效地防止了 rGO的堆叠,两者的有利结合为储锂提供了更多的电化学活性位点。MoO2NP/rGO纳米复合材料作为锂离子电池负极材料时表现出优异的循环和倍率性能:在0.2 Ag-1的电流密度下循环150圈比容量能够维持在1516.4 mAh g-1,即使在较高的电流密度1.0 Ag-1充放电300个循环后,比容量仍稳定在641 mAh g-1。该合成方法可扩展到制备其它过渡金属氧化物/石墨烯基复合材料进而提高其在锂离子电池中的电化学性能。