如今,随着工业的快速发展和人工智能的崛起,世界能源体系的结构必须要发生改变以应对化石燃料的枯竭和温室效应的加剧。可再生能源（如太阳能、风能、潮汐能、水能等）作为传统化石燃料的潜在替代品,其规模化应用已是大势所趋。然而,这些新一代能源都具有地理分布不均衡和间歇性等缺点,使得它们难以在不受天气/气候影响的情况下直接利用。因此,必须要开发有效的储能技术,以存储这些资源产生的间歇性能量。在现有的各种储能技术中,二次碱金属离子电池（LIBs、SIBs和PIBs）作为新能源的代表,具有诸多优点:比容量大、循环寿命长、能源供应可持续、成本低廉以及环境友好等,在近年来得到了广泛的研究和普适化的应用。其中,评价电池综合性能的关键参数主要包括能量密度、功率密度、循环稳定性以及倍率性能,这些参数都与电极材料密切相关。尽管已经报道了一些电化学性能优异的负极材料用于碱金属离子电池,但是探索LIBs、SIBs和PIBs的高容量和长循环寿命的负极材料以及在电化学储能过程中的形貌与结构的变化仍然面临着一些挑战。因此,深入研究电极材料和碱金属离子电池的电化学反应机制,为设计高性能碱金属离子电池提供理论指导和实验依据。本文我们从材料设计-制备的角度出发,通过结构纳米化/形貌控制、复合、自修复以及缺陷化学等调控策略制备了几种新型电极材料,系统探讨了所制备的纳米材料在碱金属离子电池体系中的应用性能及储能机理研究。通过对电极材料或者体系的优化,达到提高离子迁移速率及电子传输速率的目的,并加速电化学反应动力学的过程,以实现高性能储能体系的构建。主要的研究内容和结果如下:（1）为解决传统合金化负极材料粉化引起的循环性能和倍率性能差的问题,利用室温液态金属Ga-Sn合金自修复性能,结合同轴静电纺丝方法,构建了LMNPs/SAN@PAN/SAN纳米纤维薄膜,并通过在氩气中高温煅烧得到LMNPs@CSs核壳纳米纤维,研究了LMNPs@CSs的形成机理以及静电纺丝的参数（内外层的流速比、内外层聚合物浓度）对复合纤维形貌的影响。探讨了LMNPs@CSs作为锂离子电池自支撑电极的储锂性能,与纯的LMNPs和中空碳纤维相比,由于LMNPs和中空碳壳层之间良好的协同效应以及LMNPs自身的自愈合能力,使得LMNPs@CSs核壳纳米纤维负极在电化学性能上表现出明显的优势。其构建的锂离子电池具有优异的倍率性能(1000m A g-1时比容量为603.9 m A h g-1,2000 m A g-1时比容量为499 m A h g-1)和长循环寿命(1000 m A g-1时循环1500次后比容量为552 m A h g-1)。（2）设计制备了性能优异的石榴籽型铋@碳纳米球（PBCNSs）材料,探究了PBCNSs作为钠离子电池电极材料的应用。SEM和TEM显示铋纳米颗粒均匀的镶嵌在碳球基底上,HR-TEM和XRD表明负载到碳球上的超细铋颗粒具有良好的结晶性。此外,对PBCNSs在钠离子半电池电池/全电池中的电化学性能进行了研究。由于这种多级结构不仅能有效地缓冲铋颗粒在钠化/脱钠过程中的体积变化,而且能够增大电解液和电极之间的接触面积从而提高钠离子的扩散速率。其构建的钠离子电池在200 m A g-1下,比容量可达400.3 m A h g-1,在大电流密度25 A g-1下,容量仍然可达到372.5 m A h g-1。其次,PBCNSs展现出超长的循环寿命,在20 A g-1下,循环16000圈后比容量还可达到340 m A h g-1。即使在高负载量的情况下(11.33 mg cm-2),在0.5 A g-1下,可逆容量仍然高达327.2 m A h g-1。由此表明,PBCNSs可显著提高钠离子电池的倍率性能和循环寿命。（3）为探究材料缺陷对钾离子迁移速率的影响,设计构建了具有丰富氧空位（OVs）的双层Bi12O17Cl2纳米片（BBNs）。采用简单的一步水热法制备了BBNs纳米材料,研究了水热温度对Bi12O17Cl2的晶体结构及其储钾性能的影响。将BBNs材料作为负极构建钾离子电池,实现了超高倍率性能(在0.5 A g-1下比容量可达到534.1 m A h g-1,在10A g-1的电流密度下比容量仍然可达到420 m A h g-1),其在10 A g-1的电流密度下,经过1500次循环后,比容量仍能达到198 m A h g-1,这种优异的储钾性能主要是由于双层结构能够有效的提高电极-电解液的接触面积并且缩短钾离子的扩散路径。此外,我们还通过原位电化学分析和恒电流间歇滴定法（GITT）测试,进一步探讨了钾离子的储存机理和扩散系数。