随着社会对清洁经济的电能存储设备的需求不断增长,开发可充电电池,如新型锂离子电池(LIBs)和钠离子电池(SIBs),引起了人们极大的研究兴趣。二维金属硫化物(2D MS₂)因其独特的物理化学性质,被认为是一种极具发展前景的锂/钠电池负极材料。然而,MS₂的电化学性能严重受限于其低的结构稳定性和导电性。为了获得长寿命、高倍率性、高安全性和低成本的LIBs和SIBs,一维二氧化钛/二维金属硫化物(1D TiO₂/MS₂)和碳/二维金属硫化物(C/MS₂)纳米复合材料的合成方法得到了广泛研究。然而,仍存在一些难题限制了MS₂在LIBs和SIBs中的实际应用。例如,低纵横比的TiO₂本身电子/离子传输性差,1D TiO₂与2D MS₂的界面接触面积小,导致MS₂结构稳定性的改善效果有限;MS₂负载在碳表面(C@MS₂)复合结构的稳定性和电极的电化学性能有待改进等等。本文通过表/界面和电极结构设计,为MS₂在锂/钠离子电池的应用提供依据。本文合成了高纵横比1D TiO₂亚纳米管,有利于改善TiO₂的电子/离子传输;构筑了“面-面结合”二氧化钛纳米片与二硫化钼复合材料,提高了电化学储锂过程的结构稳定性;构筑C/MS₂/C(MS₂=MoS₂,ReS₂)三明治结构复合材料,提高了电化学储锂/钠过程的可逆性和稳定性;将三维碳纳米管网络引入二硫化钼/碳复合多孔材料中,改善了电极结构的导电性和钠离子扩散能力。本文系统地研究了这些材料作为锂/钠离子电池负极材料的电化学性质、储存机理和电化学性能。具体研究内容和结果如下:(1)采用一种简便的凝胶衍生方法合成了新型的一维TiO₂亚纳米管。在煅烧过程中,一维细长的凝胶纳米带发生卷曲并形成亚纳米管结构,随后在400℃下形成锐钛矿/青铜相TiO₂亚纳米管。该亚纳米管呈现高纵横比、开放的管内部和锐钛矿/青铜相TiO₂纳米晶壁,具有良好的电子/离子传输和反应动力特性,有利于提高MS₂在LIBs和SIBs中的电化学性能。(2)以氧化石墨烯(GO)为支撑和分散剂、HF为形貌控制剂,利用水热法制备了一种新型的微米尺寸(1–4μm)的超薄(~10 nm)2D TiO₂纳米片,并以该GO/TiO₂纳米片为模板,通过水热反应在其表面生长2D MoS₂。2D TiO₂与2D MoS₂的“面-面结合”对增强MoS₂的结构稳定性有显著的作用。通过控制葡萄糖和硫脲的添加量,进一步优化了MoS₂在TiO₂表面的生长和提高了MoS₂表面缺陷程度,获得了高结构稳定性、导电性和锂离子扩散动力的复合材料。该复合材料作为锂离子电池负极材料时,表现出高倍率性能(在2 Ag^-1时,容量为582 mAh g^-1)和优良循环性能(在0.1 Ag^-1循环100圈后,容量保持为818 mAh g^-1),特别是在大电流密度下仍然取得长循环性能(在1 Ag^-1循环400圈后,容量保持为648 mAh g^-1)。(3)发明了利用冷冻干燥和热分解还原制备层层组装的氮掺杂石墨烯/MoS₂/氮掺杂石墨烯(NDG/MoS₂/NDG)异质结构的新方法。这种新型的NDG/MoS₂/NDG复合材料具有高结晶性的MoS₂和双NDG保护层,可以有效地容纳MoS₂的电化学产物—可溶性多硫化锂,抑制其与电解液的不良反应。作为锂离子电池的负极材料时呈现出高初始库仑效率(84.3%),长循环性能(在1 Ag^-1循环600圈后,容量保持为525 mAh g^-1),和高的面积比容量(在8.73 mg cm^-2下获得409 mAh g^-1)。(4)以CS₂为S源和软模板,采用水热法制备了多孔MoS₂/C球锚固在三维(3D)MWCNT网络复合材料(MoS₂/C-MWCNT)。与多孔MoS₂/C球相比,MoS₂/C-MWCNT中的3D MWCNT网络对电化学性质有重要影响。优化后的MoS₂/C-MWCNT复合材料具有良好的结构特性:即少层MoS₂、多孔结构和碳的复合,用作钠离子负极材料时,可以增强钠离子扩散动力、导电性和结构稳定性。此外,3D MWCNT网络进一步改善了电极结构中粒子间和粒子内的导电性、钠离子扩散动力和结构稳定性。将MoS₂/C-MWCNT复合材料直接作为SIBs的负极时,具有优异的倍率性能(在20 Ag^-1容量为324 mAh g^-1)和长循环寿命(在2 Ag^-1循环1000圈后,容量保持为416 mAh g^-1)。(5)制备了一种ReS₂与石墨烯复合材料,其中ReS₂纳米片被限制在由还原氧化石墨烯(r GO)和氮掺杂的碳(N-C)组成的双碳保护层中(r GO@ReS₂@N-C)。与传统的ReS₂负载r GO表面(r GO@ReS₂)纳米复合结构相比,r GO@ReS₂@N-C中的N-C保护层对结构稳定性有显著影响。碳与ReS₂良好的界面结合提高了导电性,降低了钠离子的扩散阻力。此外,双碳保护层使得ReS₂在长时间循环过程中仍然保持初始形貌和电化学活性。因此,将r GO@ReS₂@N-C作为SIBs的负极材料时,显示出优异倍率性能(在10 Ag^-1容量为231 mAh g^-1)(高于迄今为止文献报道ReS₂材料性能),而且也具有优异的长循环性能(在2 Ag^-1循环4000圈后,容量保持为192 mAh g^-1)。本论文的研究有助于理解MS₂基复合材料在LIBs和SIBs中的电化学机理。此外,该论文为MS₂负极材料的实际应用提供了理论依据和技术途径。