随着新能源产业的不断发展,发展具有长循环稳定性、高可逆容量、良好的安全性能和快速充放电能力的储能材料,是世界能源发展趋势,符合我国能源战略需求,成为研究者关注的热点。金属基纳米材料在储能领域扮演重要角色,特别是在锂离子电池负极材料应用方面,其微观结构决定了其储锂性能。面临的共性问题是循环过程中体积变化大,容量衰减严重,特别是过渡金属氧化物材料存在电子导电率低的问题。炭材料具有高的电子导电性,结构形貌可控,表面化学性质可调且环境友好,将炭材料与金属基纳米材料进行复合能有效改善锂离子电池负极材料的性能。本论文以高容量负极材料的结构设计合成为目标,旨在提高炭材料与活性组分的紧密接触,并结合氮掺杂和创造多孔结构,发展了三种炭包覆负极材料的有效新方法,构筑了一系列具有新颖结构的炭包覆纳米复合材料,并将其应用于锂离子电池,显示出高的可逆容量、循环稳定性和倍率性能。在此基础上,系统研究了炭包覆纳米复合材料的结构特点对其电化学性能的影响。具体包括如下几个方面:（1）以纳米二元金属氧化物（ZnSnO₃）和2-甲基咪唑为前驱体靶向生长金属有机骨架ZIF-8制备了三维连续的氮掺杂炭包覆高含量（82.3 wt%）纳米锡材料。根据软硬酸碱理论,2-甲基咪唑作为交界碱优先与交界酸Zn²⁺结合生成ZIF-8包覆层,将高分散锡的氧化物引入ZIF-8网络中。后续的热解使ZIF-8转变为含有丰富氮元素（5.3wt%）的高导电连通的炭包覆网络,同时,锡的氧化物炭热还原为Sn纳米粒子,被还原的低沸点的Zn在后续的热解过程中挥发并产生丰富且开放的孔道结构,实现离子和电子的快速高效传输。锂离子电池测试结果表明,Sn/C复合材料在0.2 A g^-1电流密度下首次放电容量为1321mAhg^-1,库伦效率高达80.1%。在0.2和1Ag^-1下分别循环150次后可逆容量可保持为901和690 mA hg^-1。此外,这种方法还可以扩展到氮掺杂炭包覆氧化锰复合材料的合成,同样展现出优异的电化学性能。（2）从生物质出发,利用真菌木耳自身特有的可溶胀特性和多细胞网格结构吸附Mn²⁺溶液构筑了三维高度交联的MnO@C纳米片网络结构。木耳细胞壁主要成分几丁质中富含羟基官能团,利用其与金属离子的络合作用将MnO纳米粒子原位生成并固载于连通的炭纳米片中,有效防止颗粒聚集长大。此外木耳细胞壁中的几丁质在通过后续干燥收缩和高温热解,可以转变为连续的氮掺杂炭导电包覆层,提高复合材料的导电性和结构稳定性。这种纳米片网络结构不仅可以减小离子扩散路径,还能有效缓冲MnO在充放电过程中的体积变化。电化学测试结果表明,采用此方法合成的MnO@C复合材料在0.2 A g^-1电流密度下循环300次可逆容量为868 mAh g^-1,在1 A g^-1下循环500次可逆容量为668 mAh g^-1,证明其具有高的可逆容量和优异的循环稳定性。此外,这种可持续绿色的合成方法易于规模化且为高性能纳米片网络结构的设计合成提供了新的思路。（3）采用聚多巴胺包覆的过渡金属碳酸盐晶体在自身生成的弱氧化气氛中限域热解的方法构筑炭包覆过渡金属氧化物介孔微纳结构。以聚多巴胺包覆的MnCO₃晶体为例,热解使外部的包覆层转变为导电炭保护壳,同时MnCO₃晶体在自身生成的CO₂气体压力推动下爆裂为超小的纳米MnO。原位生成的CO₂不仅作为造孔剂分别在材料内部产生由内而外贯通的介孔和在炭包覆层形成丰富的微孔,其还可以为过渡金属氧化物的形成提供一个弱的氧化性气氛,有效中和聚多巴胺热解过程中产生的还原性气氛,防止金属相生成。采用这种方法分别制备了具有介孔微纳结构的炭包覆氧化锰、氧化钴和氧化铁材料。MnO@C复合材料在0.2和2 A g^-1电流密度下分别循环200和300次可逆容量高达886和770 mA h g^-1,炭包覆氧化钴和氧化铁材料在0.2 A g^-1电流密度下可逆容量分别可达1058和770mAhg^-1,同时具有良好的循环稳定性。这种合成方法可以同时实现炭包覆核壳结构、贯通的介孔结构和微纳结构的多级结构优势,有效缓冲过渡金属氧化物在充放电过程中的体积膨胀,从而提高循环稳定性。