碱金属离子电池,如锂离子电池(LIBs),钠离子电池(SIBs)和钾离子电池(PIBs)已被广泛研究用作各种便携式电子设备的电源,包括笔记本电脑,计算机,数码相机和手机等。近年来,由于锂矿的供应有限和分布不均,极大地阻碍了锂离子电池在大规模储能中的应用。因此,构建具有低成本、长寿命和高安全性的下一代可充电电池是亟待解决的课题。相比于锂资源,钠/钾资源在地壳中的储量更高且分布范围更广,钠离子、钾离子电池相比于锂离子电池而言都具有成本优势,另外,钠/钾不会像锂一样与铝集流体发生合金反应,这使得铝箔可以替代用于锂电池中的铜箔作为集流体,从而进一步降低成本、减轻重量。然而,Na+和K+较大的离子半径导致了动力学缓慢、体积膨胀大、循环寿命短等问题,阻碍了它们的实际应用。因此,新型高比容量、高倍率性能、长循环稳定性负极材料的研发亟待加强。本论文设计制备了一系列基于转换型,合金/脱合金的双金属硫化物和硒化物材料,并研究了它们作为碱离子电池负极的转化机理、电化学性能及其构效关系,并组装了全电池,探索了其应用的可行性。二维过渡金属硒化物异质结构是众所周知的碱金属离子电池电极材料,具有大的表面积,高机械强度和较短的扩散路径。然而,就电化学转化反应而言,循环性能是一个最重要的挑战。本文设计制备了二维富硒的ZnSe/CoSe2@C异质结构材料,该结构显著提高了充放电过程中的固有导电性,大大提高了循环性能。钾离子与富硒纳米复合材料之间的相互作用起着非常关键的作用,这因其在嵌入/脱嵌过程中的强可逆性而被探索。2DZnS e/CoSe2@C异质结构的容量贡献主要来自于合金/脱合金过程,其中K+可以在二维富硒ZnSe/CoSe2@C异质结构高度嵌入或脱嵌。该电极作为钾离子电池负极循环4000次后,在1 A g-1下具有214 mAh g-1的较高可逆比容量,将该负极与PTCDA组装成全电池后,也实现了 262 mAh g-1的可逆充电比容量。此外,通过原位XRD、HRTEM和拉曼光谱检测等方法研究了所得电极在循环过程中的电化学充放电机理。第一性原理计算进一步验证了富硒的ZnSe/CoSe2负极具有较高的钾离子吸附能力和较高的扩散动力学。这项工作为研究一种具有出色倍率性能能力和长循环稳定性的新型钾离子电池电极材料打开了一扇新窗口。双金属硫化物具有高理论比容量和双金属反应动力学的协同效应,是钠离子和钾离子电池的有前景的负极候选材料。然而,较差的电导率和较大的体积膨胀阻碍了它们的电化学转化反应。本文通过水热和后热硫化技术,成功地在还原氧化石墨烯表面负载了Co1-xS/ZnS空心纳米立方体异质结构。这种独特的Co1-xS/ZnS@rGO纳米复合材料可以提供更稳定的导电网络,从而显著抓住循环过程中Na+/K+插层和转化的关系,获得稳定的循环性能。优化的纳米复合材料在PIBs中表现出显着的电化学性能,在1 Ag-1的高电流密度下,其呈现274 mAh g-1的容量,并在2000次循环后保持高达245 mAh g-1的可逆电荷容量。更重要的是,当PTCDA用作阴极时,电极还表现出K+全电池配置的出色循环性能。通过原位XRD、HRTEM和GITT等一系列电化学试验,研究了Co1-xS/ZnS@rGO电极的相变和离子扩散动力学。双金属硫化物的中空纳米立方体结构可防止结构坍塌,并延长电极的耐用性,从而实现了长循环性能。这项工作将加速用于储能应用的双金属硫化物空心纳米立方体电极的基础构建。因为金属硫化物作为电极材料具有理论比容量高、活性位点丰富的优点,所以开发用于钾离子电池的金属硫化物负极对于规模应用非常重要。然而,固有的较低电导率和较差的循环稳定性阻碍了它们的实际应用。鉴于此,合理设计具有高稳定性和快速电荷转换的混合结构是关键方法。本文展示了具有稳定立方相的CoS2/ZnS@rGO杂化纳米复合材料,其具有双金属硫化物纳米颗粒的协同效应,以及高导电性二维rGO纳米片,对钾离子储存具有优异的长循环稳定性。用于钾离子电池测试时,这种杂化纳米复合材料在1800次、2100次和3000次循环后,在1、1.5和2 A g-1的电流密度下中分别保持着159、106和80 mA h g-1的容量,体现了显着的长循环稳定性。以PTCDA为正极(CoS2/ZnS@rGO‖PTCDA)的全电池显示出了较好的电化学性能。此外,当CoS2/ZnS@rGO纳米复合材料用于SIB时,电极在2A g-1下循环600次后维持了 259 mA h g-1的可逆比容量。原位XRD和非原位HRTEM表征进一步证实了CoS2/ZnS在Na+插入/脱嵌过程中的转化反应。该合成方法适用于其他双金属硫化物杂化纳米复合材料。这一方法为探索具有可行相工程的混合纳米复合材料开辟了新的路线,从而在储能应用中具有出色的电化学性能。