早在1991年,索尼公司发布首个商用的锂离子电池,锂离子电池正式走入人们的日常生活中,其应用对象从早期的便携式手提电脑、手机、相机到近几年爆发式增长的电动汽车、电动公交车等。当前,针对未来在大规模储能系统等方向的应用,钠、钾离子电池的研究也方兴未艾。对于电池性能,人们最为看重的是循环寿命、充电速度和安全性。在众多锂离子电池和钠离子电池电极材料中,相比于氧化物体系(如LiCoO2、Na0.67MnO2),磷酸盐体系电极材料具有一些突出的优点:结构稳定、循环性能优异、充放电过程体积变化较小、安全性高,因此,磷酸盐电极材料一直都是人们的研究重点。本论文针对解决锂/钠离子电池中磷酸盐体系电极材料目前存在的关键难题,如电子导电性较差、倍率性能和低温性能不佳等开展一系列基础研究,内容涉及锂离子电池正极材料 Li3V2(PO4)3、LiFePO4 和钠离子电池电极材料 Na3V2(PO4)3、NaTi2(P04)3、TiP207,重点研究制备条件、颗粒形貌、碳含量、碳形态、掺杂量等多种因素对材料电化学性能的影响,从而发现新的规律,提升电极性能,为其未来的实际应用提供实验基础。论文的第一章介绍了锂/钠离子电池的组成、工作原理和主要特点,对常见的钠离子电池正极材料、负极材料的研究动态进行了简明的综述,并确定了本论文的选题背景和研究内容。第二章列出了主要实验药品和实验仪器,以及材料的表征手段,并介绍了锂/钠离子电池的组装和电化学性能的测试方法。第三章通过简单的固相反应法合成纳米级的Li3V2(PO4)3,研究了柠檬酸和聚乙烯醇两种碳源对Li3V2(P04)3物相、形貌和电化学性能的影响。通过对比发现,两种碳源高温热解后残碳量和残碳形态均有差异,可以通过调控碳源添加量来保证残碳含量一致。发现钒氧化物能催化接触到的碳源生成类石墨烯sp2形态的碳,提升材料的电子导电率。通过电化学性能测试表明,相比柠檬酸,聚乙烯醇是一种更加适合形成碳包覆电极材料的碳源。第四章以第三章内容为基础,通过固相反应法制备得到复合电极材料(1-x)LiFeP04.xLi3V2(P04)3(x=0,0.02,0.05,0.1),通过加入不同比例 Li3V2(PO4)3中间粉控制包覆碳的形态,提升材料的电子导电率,改善LiFePO4倍率性能和低温性能。第五章采用固相反应法制备了 NASICON结构的钠离子电池正极材料Na3V2-xGax(PO4)3(x=0,0.1,0.2,0.4,0.6),通过对比进一步明确包覆碳形态差异的原因,探索了不同含量的Ga3+取代前后材料物相和形貌变化,并通过降低V3+的含量实现部分V4+/V5+的可逆变价,从而提升材料的能量密度和功率密度。第六章以溶剂热法制备另一种NASICON结构的钠离子电池负极材料NaTi2(PO4)3,通过加入Na3V2(PO4)3预烧粉优化包覆碳的形态,发现钒氧化物在600℃、N2条件下也能将聚乙烯醇催化生成类石墨烯碳,从而提升材料的电子导电率,改善NaTi2(PO4)3的倍率性能和低温性能。第七章采用回流法制备得到了高产率(>95%)的NaTi2(PO4)3纳米材料,并研究三种不同沸点和粘度的有机溶剂对材料形貌、碳包覆层和电化学性能的影响。通过对比,发现溶剂为乙二醇时,材料颗粒尺寸最大,比表面积最小,但在碳含量和碳形态接近的条件下,该样品的碳包覆层厚度最合适,在不阻碍钠离子扩散的前提下有效地提高了电子导电性,从而改善了材料的电化学性能。第八章采用静电喷雾沉积法制备得到NaTi2(PO4)3薄膜电极材料。优化前驱体溶剂和实验条件,发现溶剂为1,2-丙二醇/乙酰丙酮(v/v,9/1)时,得到的是三维多孔的NaTi2(PO4)3薄膜材料,并成功将其与还原氧化石墨烯复合。电化学性能测试表明,该复合薄膜电极具有优异的倍率性能和低温性能:常温100C电流下,可逆比容量为109.4 mAh g-1;在低温-10℃时,100C电流下可逆比容量为92.5 mAh g-1。该电极材料结合了电池和超级电容器的优点,表现出高倍率、高容量的电化学特性,在需要高能量、高功率密度的钠离子储能市场有很大的潜力。第九章以溶剂热法合成纯相的层状Ti(HPO4)2·H2O,发现热处理温度从500℃升至800℃时,TiP2O7由层状低温相向高温立方相转变。研究了它们的结构和形貌变化,并首次测试比较了层状TiP207在锂离子、钠离子和钾离子半电池中的电化学性能。结果表明,与高温立方相TiP207只可储锂不同,层状TiP207在锂离子和钠离子半电池中均有约100 mAh g-1的可逆比容量,在钾离子半电池中也有46.9 mAh g-1的可逆比容量。通过原位XRD分析了它们的脱嵌机理差异。第十章对本论文的创新之处、不足之处进行简要的总结,并展望了未来可能的研究工作。最后,基于本论文对电极材料的残碳含量和残碳形态研究,附录A介绍了聚乙烯醇的高温热解残碳行为与VO2、Nb2O5、Ta2O5和W03四种高价过渡金属氧化物催化剂之间的关系。