电动汽车、智能电网等大规模储能技术的大力发展对锂离子电池的能量密度和功率密度都提出了更高的要求。与此同时,锂矿价格上涨和储量匮乏的问题也日益凸显。因此,在全面提升锂离子电池性能的同时,开发新的储能技术也势在必行。近年来被大家广泛关注的钠离子电池不但具有与锂离子电池相似的储能原理,而且原料丰富、价格低廉,是最有发展前景的储能技术之一。为了获得高性能的锂、钠离子二次电池,开发高容量、大倍率、长循环、低成本的电极材料至关重要。碳材料(如石墨)具有来源丰富、导电性好、稳定性好等优势,已经被广泛应用于锂离子电池负极材料;但其有限的比容量和较差的倍率性能限制了其进一步发展,尤其是在钠离子电池领域的应用。锡属于合金型负极材料,具有多电子反应机制,理论比容量非常高;但由于锡在合金化过程中体积膨胀严重,因此循环稳定性较差,尚不能实现商业化应用。针对上述问题,本文以碳基材料和锡基材料为研究目标,通过溶盐模板辅助-原位热解法可控合成了氮掺杂的三维多孔碳、硼掺杂的三维多孔碳、多孔碳/镍锡合金、多孔碳/锡锑合金复合材料;并探究了所合成材料的储锂、储钠性能及反应机制。具体研究内容如下:(1)分别以柠檬酸和葡萄糖为碳源、尿素为氮源、氯化钠为模板,采用单模板辅助-原位热解法制备了氮掺杂的三维多孔碳材料。结果表明,所合成的材料具有互相贯穿的非晶多孔碳网络,比表面积高达265~425 m2.g-1。多种形式的(吡啶N、吡咯N和石墨N)、高含量的(掺入的原子比最高可达12%)氮掺杂使碳的无序度增加。将其用于钠离子电池负极表现出了优异的循环性能(在0.1 A·g-1下循环100周容量保持416 mAh·g-1)和突出的倍率性能(在5 A·g-1下比容量为213.8 mAh·g-1;10 A·g-1下循环1000周容量为142 mAh·g-1),远优于未掺氮的碳材料。(2)以柠檬酸为碳源、氯化钠为第一模板、硼酸为硼源和第二模板,采用双模板辅助-原位热解法制备了硼掺杂的三维分级多孔碳材料。结果表明,双模板原位热解同时实现了分级多孔碳的原位构筑和硼元素的均匀掺入。得益于其独特的结构优势,硼掺杂的三维多孔碳材料显示出了优异的储锂性能(在0.1 A·g-1下100周循环后容量保持460 mAh·g-1,在5 A.g-1下比容量达220 mAh·g-1)和储钠性能(0.1 A·g-1下100周循环后容量保持200 mAh·g-1;在 5 A·g-1 下比容量达 127 mAh·g-1)。(3)为了应对碳材料理论容量有限和合金基材料体积膨胀严重的问题,本文将高容量的锡基材料和具有高稳定性、高导电性的三维多孔碳复合,采用模板辅助-原位热解法制备了镍锡合金与三维多孔碳复合的负极材料。结果显示,纳米尺度(10~30 nm)的镍锡合金(Ni3Sn2和Ni3Sn4)能够牢固而均匀地镶嵌在三维多孔碳网上;同时合金颗粒表面覆盖有石墨化的碳包覆层。这种结构一方面通过合金化、纳米化和碳包覆缓解了锡在充放电过程中的体积变化,使其循环性能大大提高(Ni3Sn4/C在0.5 A·g-1下循环200周比容量达732 mAh·g-1);另一方面,三维多孔的结构在进一步有效缓解体积膨胀的同时,还提高了电极材料的导电性,改善了动力学反应速率,使其倍率性能也得到改善(Ni3Sn4/C在5A·g-1下比容量达377 mAh·g-1)。(4)为了进一步提高电极材料的容量,避免引入惰性基体导致电极容量的牺牲,本章选用了具有电化学活性的金属锑作为抑制元素,制备了锡锑合金与三维多孔碳复合的负极材料SnSb@SnOx/SbOx@C。结果显示,锡锑合金能够牢固而均匀地镶嵌在三维多孔碳网上,呈蛋黄壳状的结构。SnSb@SnOx/SbOx@C的内核为纳米锡锑合金,次外层为锡和锑的非晶氧化物,最外层是石墨化的碳包覆层。这种蛋黄壳状的结构很大程度上缓解了锡锑纳米颗粒的团聚、长大和体积变化。该结构设计既保证了锡锑合金高比容量的发挥,同时又为锡锑合金化过程中的体积变化提供了缓冲空间,还增加了电解液的浸润性,缩短了离子扩散路径,改善了材料的导电性,进而使其实现了高容量、大倍率和长循环的储锂性能(在1A·g-1下循环200周比容量达600 mAh·g-1)和储钠性能(在0.1 A·g-1下循环200周比容量达359.2 mAh·g-1;在 1 A·g-1 下循环 500 周比容量达 194.9 mAh·g-1)。