能源是人类生存和发展的重要物质基础。随着不可再生化石燃料的迅速枯竭和环境问题的加剧,风能、太阳能、生物质能、潮汐能、地热能等可再生清洁能源的开发变得越来越重要。因此,为了使具有间歇性特点的可再生能源可以安全、平稳地集成到电网中,大规模的可再生能源储能系统对可再生能源间歇性的调节就显得尤为必要。在各种储能器件中,锂/钠离子电池凭借高能量密度、长循环寿命、低成本及绿色环保等特点已成为极具潜力和竞争力的电网储能电池。负极材料是二次电池中必不可少的一个组成部分,它在很大程度上决定了二次电池的整体性能。作为典型的负极材料,碳纳米材料在形貌、导电性及机械性能方面具有很多独特的性质,但其自身比容量较低。因此,基于静电纺丝技术所制备的碳基纳米复合材料被认为是新型电化学储能设备电极材料的理想选择。本论文中,我们制备了多孔的氮掺杂碳包覆的TiO₂同轴纳米管(TiO₂@NC)、Sb与碳纳米纤维的复合材料(Sb/CNFs),在对材料的电池性能进行研究的同时,也关注材料的储能机制与反应机理,为后续开发高容量型电极材料奠定了坚实的基础。主要研究内容和创新点如下:(1)本文第二章主要介绍了多孔N掺杂的TiO₂@C同轴纳米管的制备方法和电化学储锂性能研究。首先,利用静电纺丝法制备的聚丙烯腈(PAN)纤维作为模板,采用Ti(OBu)₄在高湿度环境下的原位水解,在PAN纳米纤维表面均匀涂覆了一层TiO₂。然后将PAN模板在空气中热解,形成锐钛矿TiO₂纳米管。然后在TiO₂纳米管上沉积导电聚吡咯(PPy)层,得到同轴TiO₂@PPy纳米管。最后,将TiO₂@PPy纳米管在400℃氮气气氛下碳化,得到TiO₂@NC同轴纳米管。应用于锂离子电池负极材料时,TiO₂@NC同轴纳米管在0.1Ag^-1和0.5Ag^-1的电流密度下分别表现出480mAhg^-1和235mAhg^-1的可逆放电比容量,性能优于TiO₂和TiO₂@PPy。TiO₂@NC同轴纳米管之所以表现出更高的电化学储锂性能,是因为TiO₂纳米管表面包覆了高比表面积的氮掺杂碳层,碳层的存在不但提高了电子导电性,增加了锂离子传输路径,而且抑制充放电过程中带来的体积变化,从而提高了材料的电化学稳定性。(2)钠离子电池具有与锂离子电池相似的理化性质,但相较于成本更高的锂离子资源,钠在地壳中的储量更丰富,成本更低,所以钠离子电池作为一种锂离子电池的可替代电池已引起了很多研究者的兴趣。本文进一步利用静电纺丝技术制备了Sb/CNF纳米复合材料。采用PAN和酒石酸锑钾为原材料,经过合理的实验设计,Sb纳米颗粒均匀嵌入碳纳米管中。为了确定最佳组成、优化Sb的含量,我们对前驱体中PAN和酒石酸锑钾的比例进行了调节。另外,酒石酸锑钾中含有K⁺,其在高温下可作为造孔剂,提高了碳纤维的孔隙率和比表面积。因此,制得的Sb/CNFs纳米复合材料中存在丰富的孔隙结构。由于材料中丰富的介孔结构的存在,可以使电解液更容易接触到Sb纳米晶体,从而在储能方面更大程度上促进活性材料的发挥。因此,将这种一维纳米复合材料作为钠离子电池的负极材料时,在0.1Ag^-1及0.5Ag^-1的电流密度下,其可以分别表现出462mAhg^-1和404mAhg^-1的可逆放电容量。此外,为了深入分析介孔存在对电化学能量存储过程的影响,我们对在电场存在情况下介孔和微孔中电解液的运移情况进行了分子动力学模拟,结果表明介孔的存在有利于优异倍率性能的呈现。