钠离子电池具有资源丰富、成本低、安全性高等优势,是未来发展中极具竞争力的能够满足大规模电网储能需求的电能存储装置。其中,电极材料的选择与合理设计是钠离子电池大规模应用的关键。目前,具有较大的碳层间距以及丰富的活性位点的硬碳材料,在钠离子电池负极材料中应用最为广泛。然而,硬碳具有导电性差、结构不稳定、密度低等缺点,在很大程度上限制了其高倍率性能、长周期循环稳定性以及体积能量密度。相较于硬碳材料,石墨具有较高的导电性能,但是由于石墨的层间距较小(0.3354 nm)、片层尺寸较大,难以与半径较大的钠离子相匹配,不能进行有效地嵌钠。基于此,本论文着眼于石墨类纳米碳材料的设计,并通过一系列的表征手段对其形貌结构、形成机理进行了研究,揭示了结构组成与电化学性能的关系,为进一步设计结构新颖、储钠性能优异的碳负极材料提供了指导意义。(1)以1,2,4,5-四甲基苯和二茂铁为原料,利用原位热解法制备了一端开口的四边形碳纳米管。四边形碳纳米管不同于传统的多壁碳纳米管,其由相互垂直的四个壁组成。每个壁均具有“鱼骨形”排列的石墨烯结构,石墨烯片的尺寸仅为80 nm,平均长度约为5 μm。四边形碳纳米管作为钠离子电池负极材料,显示出较高的储钠容量和倍率性能,且对电解液的依赖性较低。在0.1 A g-1电流密度下,醚基和酯基电解液中的首次可逆比容量分别为212和200 mAhg-1。在醚基电解液中,即使电流密度高达5A g-1,也可以保持132 mAh g-1的可逆比容量。四边形碳纳米管在两种电解液中优异的电化学性能,主要与其小尺寸石墨片层和“鱼骨形”壁结构有关:可以大大缩短钠离子的扩散路径,有效提高钠离子的存储动力学。(2)以二茂锰为原料,利用原位热解法制备了粒径约为4.0 μm的碳微球。该微球是一种由纳米洋葱颗粒组装而成的微/纳结构,不仅可以有效地缓解钠存储过程中的体积变化,还可以缩短钠离子的扩散路径,而且压实密度可以达到1.36 gcm-3。碳微球作为钠离子电池负极材料,显示出高的质量比容量和体积比容量以及良好的倍率性能。在0.1 Ag-1下,其首次可逆质量比容量和体积比容量分别可以达到275 mAh g-1和374 mAh cm-3。即使在1、2和5 A g-1时,其质量比容量也分别可以保持在195、165和115 mAh g-1,体积比容量分别可以达到265、224和156 mAh cm-3。