随着新能源电动汽车和便携式电子设备的高速发展,开发低成本的、安全可靠的、高能量密度的二次电池已成为当务之急。锂离子电池(LIBs)自商业化以来由于其拥有质量轻、寿命长和电化学性能出色等优点而在世界范围内引发了爆炸性的学术进步。但考虑到目前锂盐的供应限制和成本不断上涨的现象使得LIBs难以满足能源存储的需求。钠盐和钾盐不仅资源丰富、价格低廉而且其化学环境和工作原理类似于LIBs,以此为基础构建的钠离子电池(SIBs)和钾离子电池(PIBs)不仅成本更低而且可持续性更好,有望实现商业化应用。然而Na⁺/K⁺拥有比Li⁺更大的质量和半径,从而增加其在SIBs/PIBs内部正负极之间嵌入/脱出过程中的内部扩散势垒,从而限制了其动力学扩散,因此许多LIBs负极材料很难在SIBs/PIBs中展现良好的性能。有鉴于此,开发能够快速且稳定地嵌入/脱出Na⁺/K⁺的负极材料是提高SIBs/PIBs性能的关键。基于上述的考虑,本文主要以过渡金属硫化物为研究对象,针对活性材料的结构设计、合成方法、储能机理和性能调控等方面进行了详细的介绍并深入的研究了作为电池负极材料时的电化学性能,主要的研究内容如下:(1)基于过渡金属硫化物有高的理论容量,我们以无模板的水热法构建了一维螺旋状的VS₄纳米材料,并研究了其存储Na⁺的性能和机理。在第2章中我们通过生长机理研究揭示了VS₄的奥斯瓦尔德熟化过程,其在生长过程首先成核为3μm左右的球状,随后逐渐熟化分裂为一维螺旋状的VS₄构成的球形结构。一维螺旋状VS₄作为SIBs负极材料在室温环境下,当电流密度为1和3 A g^–1时分别可获得660和589 mAh g^–1的优异可逆容量。此外,VS₄电极在低温0℃下也同样也表现出优异的放电容量和循环稳定性。与此同时还根据非原位表征、循环伏安法和电化学动力学分析研究了VS₄储存Na⁺的机理。研究结果表明Na⁺的存储机制分为三个阶段:(Ⅰ)在最初的十个循环中的一阶段,VS₄向Na₂S和V的转变是部分可逆的,使得放电容量在最初阶段呈衰减趋势;(Ⅱ)在随后容量增加的二阶段,增加了Na₂S和S之间的可逆转化反应使得存储Na⁺容量上升;(Ⅲ)在最终稳定的三阶段,Na₂S和S之间的可逆转化反应趋于稳定,这类似于Na-S电池的主要反应机理。本章关于一维螺旋状VS₄的研究可以为其它金属硫化物在电池、催化和电子设备领域中的研究提供基本思路。(2)在第2章的基础上我们在第3章中发明了一种调控、制备VS₄超薄纳米片的简单方法并应用于SIBs系统。以去离子水作为溶剂,通过调控溶液中正钒酸钠和硫代乙酰胺的摩尔比实现对VS₄纳米片的厚度调控。研究发现超薄的VS₄纳米片具有较大的比表面积(157.1 m² g^–1),有利于电极材料与电解液的接触并为Na⁺的存储提供更多的活性位点,而且其超薄结构能有效缩短Na⁺在充放电过程中的传输路径。另外,VS₄纳米片具有丰富的介孔结构,其在为Na⁺传输提供传输路径的同时也能缓冲Na⁺存储所引起的体积膨胀。优化后的VS₄超薄纳米片在电流密度为3 A g^–1下,经历900个循环后的存储Na⁺容量仍高达584 mAh g^–1。此外,VS₄电极在低温0℃下也同样表现出优异的电化学性能,表明其具有良好的温度适应能力。这一成果不仅为VS₄的形貌调控提供了一定的研究基础,而且也表明VS₄超薄纳米片是用于高性能储能设备的有前途的活性材料。(3)建立了一种制备高结晶度(NH₄)₂Mo₃S₁₃材料的方法,并首次作为负极材料应用于SIBs/PIBs系统。在第4章中采用一步水热法成功制备了(NH₄)₂Mo₃S₁₃,并通过调节溶液中硫代乙酰胺和钼酸钠的摩尔比调控了(NH₄)₂Mo₃S₁₃的形貌和结晶度。优化后的(NH₄)₂Mo₃S₁₃作为SIBs/PIBs的负极材料时展现了出色的放电容量和优异的容量保持率。在室温环境中,(NH₄)₂Mo₃S₁₃在10 A g^–1的大电流密度下经历1000次循环后的存储Na⁺的容量为165.2 mAh g^–1。在常温钾离子半电池测试中,在1 A g^–1的电流密度下经历500个循环后容量保持在120.7 mAh g^–1。此外,(NH₄)₂Mo₃S₁₃电极在低温测试环境下也表现出优异的电化学性能。另外,通过结合电化学动力学分析和一系列非原位表征测试揭示了Na⁺在(NH₄)₂Mo₃S₁₃电极材料储存机理。这种新型的(NH₄)₂Mo₃S₁₃有潜力成为低成本、高性能和安全的SIBs/PIBs负极材料,这也将拓展富含硫的过渡金属硫化物在储能装置中的应用并吸引研究者的兴趣。(4)基于前面的工作,我们尝试优化和改善了(NH₄)₂Mo₃S₁₃的制备方法。在第4章中通过添加摩尔比14倍于钼酸钠的过量硫代乙酰胺以提供足够的硫源,但是其在水热反应过程中生成了大量剧毒的H₂S气体,这不仅污染环境而且对研究人员的人身安全造成极大威胁。在第5章中通过引入氨水极大的降低了(NH₄)₂Mo₃S₁₃的制备难度(硫钼比为4.3:1),仅需要摩尔比5倍于钼酸钠的硫代乙酰胺便能获得高结晶度的(NH₄)₂Mo₃S₁₃。此方法不仅大大减少了H₂S的释放,而且硫代乙酰胺的用量减少了64.3%,这有效降低了制造成本。制备所得的(NH₄)₂Mo₃S₁₃在作为SIBs的负极材料时在室温中具有出色的放电容量和长循环性能。此外,(NH₄)₂Mo₃S₁₃电极在低温0℃下也同样表现出优异的电化学性能,这表明(NH₄)₂Mo₃S₁₃电极具有良好的温度适应能力。这一工作为后续(NH₄)₂Mo₃S₁₃在储能领域的应用提供基础。