地球上的锂资源有限且分布不均,影响了锂离子电池(LIBs)的进一步发展及大规模应用。相比之下,钠和钾具有资源广泛、成本低廉的优势,因此钠离子电池(SIBs)和钾离子电池(PIBs)被认为是在规模储能领域有望取代锂离子电池的新型二次电池。炭材料结构稳定、制备工艺简单、环境友好,是最具发展前景的负极材料。本文通过调控微晶结构的无序度和层间距,制备了具有高储钠容量和高首效的生物质基硬炭;对比了不同膨胀系数、不同层间距的石墨在缓冲储钾过程体积膨胀的结构特点,得到了具有高储钾容量和优异循环稳定性的钾离子电池石墨负极材料;以聚苯乙烯微球为模板,聚多巴胺为含氮前驱体,构筑了氮掺杂中空炭纳米球,利用中空球壳结构在缓冲材料体积膨胀上的优势,提高了炭材料在储钾过程中的循环稳定性。(1)钠离子电池生物质基硬炭负极材料的制备与性能研究。以木屑为前驱体,高温热解制备硬炭材料,通过改变碳化温度调控其石墨微晶结构和层间距。随着碳化温度提高,炭材料的结构规整度提高,层间距减小,表面缺陷减少。1200℃制备的样品PT-1200层间距为0.38 nm,比表面仅有5.34 m2 g-1,用作钠离子电池负极材料在30 mA g-1的电流密度下储钠容量为392.2 mAh g-1,首次库伦效率可达82.2%。此外,得益于其大的层间距和良好的结构稳定性,PT-1200电极还表现出优异的循环性能,在50 mA g-1的电流密度下经过300次循环后储钠容量仍能保持224.8 mAh g-1,表明木屑基硬炭材料是一种具有实用化前景的钠离子电池负极材料(2)钾离子电池膨胀石墨负极材料的电化学性能研究。石墨是锂离子电池的商用负极材料,制备工艺成熟,电化学性能优异。然而,由于钾离子半径比锂离子大(1.38 A vs.0.76 A),导致石墨在储钾过程中体积膨胀较大,容量衰减严重。以膨胀石墨作为钾离子电池负极材料,利用其大的层间距和无序结构,缓冲钾离子嵌入-脱出过程中的体积膨胀,提升石墨材料的循环稳定性。选用不同膨胀系数的膨胀石墨,测试其结构和电化学性能,分析膨胀石墨材料用作钾离子电池负极时结构和性能的关系。300倍膨胀的膨胀石墨(EG-300)层间距为3.38 A,IG/ID值为3.22,结构相对无序,在0.1 C的条件下具有370.4 mAh g-1初始储钾可逆容量,首次库伦效率为61.9%,经过250次循环后容量保持率为80.3%,表现出良好的循环性能,表明通过增大石墨材料的层间距,提高其无序程度,可有效地改善石墨材料在储钾过程中的结构稳定性。(3)氮掺杂中空炭纳米球的制备与电化学储钾性能研究。以聚苯乙烯微球为模板,聚多巴胺为含氮的碳前驱体,构筑了新颖的氮掺杂中空炭纳米球(NHCS-X)。氮杂原子和发达的孔隙结构可提供丰富的储钾活性位点,独特的中空结构可有效地缓冲储钾过程的体积膨胀,缩短钾离子扩散路径,改善离子传输,因此NHCS-X有望表现出高的容量和优异的循环、倍率性能。通过改变碳化温度,可调控NHCS-X材料的氮掺杂含量、层间距、球壳厚度与中空球体的孔隙结构。800℃制备的样品NHCS-800含氮量为3.82%,比表面为225.4 m2g-1,用作钾离子电池负极材料,在30 mA g-1的电流密度下,可逆比容量为396.2 mAh g-1,在50 mAg-1的电流密度下循环130次容量保持率为74.4%,此外,当电流密度增加至1000 mA g-1时,可逆容量仍能保持155.9 mAh g-1,是一种性能较好的钾离子电极炭负极材料。