随着电动汽车产业和新型可再生能源技术的迅猛发展,传统的锂离子电池作为主要的能量载体已不敷使用,亟需发展高能量密度的锂空气电池和低成本并且适合大规模使用的钠离子电池。开发先进的新型二次电池关键在于构筑综合性能优异的电极材料,以凸显新型化学储能的本征优势。针对这一问题,本论文围绕高性能锂空气和钠离子电池关键电极材料的设计构筑这一主题,以改善电极材料的质量传递、电子传输、结构稳定性和催化活性为目标,采用新颖的设计理念和先进的制备技术,构筑多尺度多层次的碳基微纳米材料,实现对电极材料的组分、形貌、孔结构、表面化学性质以及导电性能的优化,进而提升电池的电化学性能。论文工作具体内容如下:以氧化石墨烯为基本组元,采用模板辅助水热还原自组装的策略,制备了纳米笼镶嵌的氮掺杂石墨烯气凝胶（NPGA）。纳米笼的引入加快了石墨烯气凝胶骨架内氧气和电解液传输,并增加了三相反应界面,进而提高了电极的电化学反应动力学。作为锂空气电池的正极材料,NPGA呈现出超高的比容量(10081mAhg^-1)和倍率性能(在3.2A g^-1时,比容量可达 5978 mAhg^-1)。基于碳和Li₂O₂的质量,NPGA-O₂//Li锂空气电池在1300 Wkg^-1的功率密度下,能量密度高达2400 Whkg^-1。以碳纳米管和羟基氧化锰纳米线为基本结构单元,采用真空抽滤组装辅以原子层沉积的方法,构筑了贯通多孔和高导电性的复合薄膜,并实现了极少量氧化钌（2.84 wt%）纳米颗粒的均匀负载（Mn3O4/CNTs-RuO₂）。体相结构与表面性质表征表明,RuO₂与基底之间存在较强的相互作用,调谐了 RuO₂的电子状态,使得LiO₂的裂解反应发生在催化剂表面,而不是电解液中,进而形成了易分解的超薄纳米片型放电产物。MnO4/CNTs-RuO₂复合膜作为锂空气电池正极材料,实现了超长的循环寿命,循环可达251圈,运行时长超过1700 h。以TiO₂纳米管簇为结构导向剂,利用钼酸铵与多巴胺的络合作用以及多巴胺的原位自聚合特性,制备了超细Mo02纳米颗粒镶嵌的核壳纳米棒TiO₂@MoO₂-C。其中,超细MoO₂纳米颗粒有效地缩短了离子的扩散距离;电缆芯TiO₂纳米管簇提高了复合材料的导电性。作为钠离子电池的负极材料,TiO₂@MoO₂-C在20Ag^-1的大电流密度下可保持76 mAh g^-1的比容量,并在10 Ag^-1的电流密度下可以循环10000圈。电化学定性与定量分析发现,TiO₂@MoO₂-C电极较高的赝电容贡献是其实现高的倍率性能的一个重要原因。以静电纺丝碳纤维为导电基底,聚乙烯吡咯烷酮为辅助剂,采用一步水热辅以高温处理的方法,制备了超大层间距（1.34 nm）MoS₂与碳纤维的复合材料。其中,碳纤维基底促进了电子传输,超大层间距的MoS₂减小了钠离子插层和在其层间扩散的阻力。作为钠离子电池负极材料,这种复合材料在20Ag^-1的电流密度下可保持104mAhg^-1的比容量,实现一次完全充电仅需18.7 s,在10 Ag^-1的电流密度下可以循环3000圈。以氧化石墨烯为结构导向剂,利用原位络合聚合技术,辅以高温硫蒸气硫化处理的方法,构筑了 MoS₂耦合石墨烯的三明治结构纳米片G@MoS₂-C。其中,少层且具有扩大层间距的MoS₂减小了钠离子的扩散距离和扩散阻力;三明治层间的石墨烯提高了复合材料的导电性。作为钠离子电池负极材料,G@MoS₂-C在50Ag^-1的超高电流密度下,比容量高达93mAhg^-1,表现出超高的倍率性能。