锂离子电池和钠离子电池(SIBs)是最有前途的清洁和可再生能源存储系统类型之一。地球上钠(Na)资源丰富、成本低廉、环境友好,有望在大规模储能中取代较为稀缺的锂(Li)。由于Na⁺离子半径大于Li⁺,选择和设计一种能够有效承载和输送Na⁺离子,同时呈现稳定结构和优良速率性能的电极材料是SIB实际开发和应用的关键。锐钛矿相(Ti O₂)具有结构稳定、成本低廉、比容量适中等优点,是SIBs的理想负极材料之一。然而,Ti O₂的低电导率和高离子扩散势垒限制了它在电极材料方面的应用。对活性材料Ti O₂进行杂原子掺杂、异质结构搭建以及高导电性材料复合,可以有效提高电导率和离子迁移率,并带来优异的电荷转移动力学和储能性能。特别是近年来,基于异质结构的电极受到越来越多的关注,研究人员通常假定异质界面的内置电场可以提高离子迁移率。然而,这种假定目前还未出现直接的证据支持。此外,在这些研究中缺少对内置电场的方向和强度、异质界面状态的具体分析。首先,在储能电极中设计合适的异质结构并分析异质界面的电子浓度和内置电场。设计基于异质结构电极时,其内置电场应满足如下要求:电场方向指向可承载Na⁺和Li⁺的电极材料一侧;电场强度应足够大,能显著降低扩散势垒。利用半导体理论推导出异质界面处的电子浓度和内置电场的电场强度。为了实现上述要求,选择功函数低于Ti O₂电子亲合能的碳化钛(Ti C)材料搭建Ti C/Ti O₂异质结构。Ti C/Ti O₂异质结构界面处的电子浓度理论值高达1.46×10²⁰ cm^-3,产生了强度为1.03×10~7 V cm^-1的内置电场。如此高的电场强度会使得Na⁺离子扩散势垒降低1.75倍,有效提高Na⁺离子扩散率。此外,通过等离子体诱导法构建了完美界面的非整流碳氮化钛/氮掺杂二氧化钛(Ti C_xN_1-x/N-Ti O₂)异质外延。在等离子体高能环境中,在5 min内同时实现了异质结构搭建,N元素掺杂以及Ti C_xN_1-x外延生长这些复杂工程,极大改善了材料的电导率和Na⁺离子迁移率。尤其是超细尺寸的Ti C_xN_1-x外延生长产生了近乎完美的异质界面,有效避免了界面态和费米能级钉扎。Ti C_xN_1-x/N-Ti O₂电极表现出优异的电化学性能,在0.1和10 C时,可逆比容量分别为312.3和173.7 m Ah g^-1。10 C充放电600次循环后,容量保持率为98.7%。在由于异质界面诱导了高电子浓度和强静电场,Ti C_xN_1-x/N-Ti O₂电极的Na⁺离子扩散势垒较纯Ti O₂电极降低了1.7倍。实验结果与理论预测相匹配,证明了异质结构可以显著降低Na⁺离子扩散势垒,提高材料的电化学性能。第三,采用水热合成方法成功制备了Ti O₂/RGO复合材料。实验过程中,利用乙酸调节水解速度,缓解Ti O₂颗粒团聚。Ti O₂/RGO复合材料中,纳米尺寸的Ti O₂颗粒和片状RGO协同作用,有效提高了材料的导电性,促进电荷转移。Ti O₂/RGO电极在0.1 C电流密度下可逆容量具有207.94 m Ah g^-1,较纯Ti O₂提升了23%。综上,本文针对基于异质结构的电极提出了详细的设计指南。内置电场方向需指向活性材料;内置电场的电场强度应足够大,能显著降低离子扩散势垒;异质界面没有引入缺陷态以及相关的负面效应。其次,利用等离子诱导法快速获得了满足以上三点设计要求的Ti C_xN_1-x/N-Ti O₂异质外延。实验结果与理论计算相印证,证明了其异质结构的内置电场可以显著降低Na⁺扩散势垒。本文揭示了界面电场影响扩散势垒的机理,也为基于Ti O₂等储能材料的异质结构的设计和制备提供了实用的指导。