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锂/氟化碳（Li/CFx）原电池具有能量密度高(2180 Wh kg-1)、放电平台稳定、自放电率低、工作温度宽、存储寿命长等优点,在消费电子、先进医疗和军事设备中有着重要的应用。Li/CFx电池的放电比容量随着CFx材料中F/C比（即氟含量）的增加而增加,当x=1时,CFx的理论比容量可达865 m Ah g-1。然而,追求高氟含量会降低CFx材料的电子导电性和离子导电性,进而导致Li/CFx电池产生初始电压延迟大、倍率性能差、发热严重等问题。Li/CFx电池的大倍率放电性能差、功率密度低,制约了其商业化应用。CFx材料在高电导率和高氟含量之间的权衡是决定其功率密度和能量密度的关键因素。因此,在高氟含量的基础上实现CFx材料的高电导率,进而同时实现Li/CFx电池的高能量密度和高功率密度,是Li/CFx电池发展的一个关键挑战。针对上述挑战,论文以实现Li/CFx电池的高功率密度和高能量密度为研究目标,通过碳源结构的设计与氟化条件的调控,制备了2D结构纳米氟化石墨以及由纳米片组装的3D结构氟化石墨,它们兼具高氟含量和高电导率,实现了Li/CFx电池的高倍率放电和高功率密度。同时,论文进行了纳米结构氟化石墨的公斤级制备,设计并组装了实体软包电池。另一方面,考虑到钠和钾在资源储备量、成本以及离子电导率等方面比锂更有优势,论文开发了新型Na/CFx原电池和K/CFx原电池,对其电化学性能和应用性指标进行了系统的研究。最后,为了验证CFx材料的微纳结构对电化学性能的影响,论文对纳米结构氟化石墨材料在锂原电池放电过程中的结构演化、放电机制和结构稳定性进行了详细研究,为CFx材料结构的优化设计提供了指导。具体研究内容和结论如下:（1）以价廉易得的膨胀石墨为原材料,结合物理剥离法、冷冻干燥法和高温气体氟化法制备得到2D手风琴结构的氟化石墨纳米片（FGNSs）。对比氟含量相同的商业化CF1.0材料,FGNSs-1.0拥有高F/C比（1.0）、高电导率(3.8*10-8 S m-1)、更多的导电性sp~2 C=C键（7.14%）、更少的电化学非活性C-F2键（18.17%）、更大的比表面积(216.5m~2 g-1)。作为锂原电池正极材料,FGNSs-1.0表现出优异的电化学性能。在1 C时,Li/FGNSs-1.0电池的放电比容量为809.9 m Ah g-1,为理论比容量的93.7%,最大能量密度为1879.0 Wh kg-1。Li/FGNSs-1.0电池表现出优异的倍率放电能力,最大放电倍率为20 C(～17.3 A g-1),最大功率密度为31313.0 W kg-1。对比商业化Li/CF1.0电池,其放电倍率提高了300%。（2）为了进一步提高原电池的能量密度并降低成本,以FGNSs-x为正极,资源储量丰富、成本低的钠/钾金属作为负极,设计并研究了新型Na/FGNSs-x和K/FGNSs-x原电池的电化学性能,并对其应用前景进行了评估。在10 m A g-1的电流密度下,Na/FGNSs-1.0扣式电池的放电比容量为831.3 m Ah g-1,为理论容量的96.1%,最大能量密度为1960.5 Wh kg-1。K/FGNSs-1.0扣式电池的放电比容量为834.1 m Ah g-1,为理论容量的96.4%,最大能量密度为2144.6 Wh kg-1。在3000 m A g-1的大电流密度下,钠原电池的最大功率密度为6227.4 W kg-1。钾原电池最大实现了4000 m A g-1的大电流放电,最大功率密度为7076.8 W kg-1。同时,FGNSs-1.0正极还在不同的温度范围（-30℃～100℃）,长期储存（60天）,高活性物质负载量(3.6 mg cm-2)以及软包电池中表现出优异的电化学性能。这些结果都表明论文发展的新型的Na/FGNSs-1.0和K/FGNSs-1.0原电池在要求高功率、低成本的高能量设备中具有广阔的应用前景。（3）为了进一步提高Li/CFx电池的倍率性能,采用喷雾干燥法和高温气体氟化法制备得到了具有3D结构的花状多孔氟化石墨微球（FGS）。碳源材料的3D多孔结构和提高氟化温度所产生的均相氟化效应大幅度提高了FGS正极的电化学性能。FGS-1.0中相互交联的纳米片结构和表面丰富的sp~2 C=C键（15%）构成了快速的电子传导网络,而多孔结构和少量的非活性C-F2键（11.74%）使Li+能够快速传导。基于这种提高电子和离子导电性的设计,采用高F/C比的FGS-1.03作为正极时,在Li/CFx原电池中同时实现了高功率密度和高能量密度。在1 C放电时,Li/FGS-1.03扣式电池的比容量为797.2 m Ah g-1,对应最大能量密度为1894.2 Wh kg-1。并且,Li/FGS-1.03扣式电池的最大放电倍率达到50 C(～43.3 A g-1),放电容量仍有504.7 m Ah g-1,最大功率密度达到71180.9 W kg-1。对比文献,其放电倍率提高了54%,功率密度提高了30%。Li/FGS-1.03软包电池也表现出优异的电化学性能,最大放电倍率达到20 C,基于软包电池质量得到的最大功率密度为12451.2 W kg-1。因此,论文开发的FGS-1.03材料是一种有前景的商用锂原电池正极材料,该材料可以大幅度提高原电池的放电倍率和功率密度。（4）采用非原位XPS、EIS、SEM技术以及原位DIC测试技术对FGS-1.03正极在不同放电阶段的结构演化、放电机制和结构稳定性进行了深入的研究。非原位XPS、EIS结果表明FGS-1.03的优异性能得益于其相互交联的3D多孔结构的稳定性,以及放电过程中Li F晶体的均匀形成。对比商业化CF1.0,非原位SEM结果也证明FGS-1.03的3D多孔结构为Li F晶体的生长预留了空间,有效缓解了锂化过程中Li F的堆积,减小了电池的体积形变。为了量化电极在放电过程中的变形情况并实现实时观测,论文首次将原位DIC测试技术应用于锂原电池体系,结果表明电极的形变随着放电深度的增加而逐渐增大,且提高放电倍率也会增大形变量。在1 C放电倍率下,3D多孔结构的FGS-1.03比块体结构的CF1.0能更好缓解电极在锂化过程中的体积变形,完全放电后的形变区域较少,最大形变量更小,平均主应变减小15%。这些结果将为高性能CFx材料的结构设计提供指导。