高能量密度锂电池是当前电池领域迫切需要研究的一个方向。目前,锂离子电池负极材料容量较低是限制高能量密度锂离子电池发展的重要问题之一。然而,高理论容量的负极材料往往存在着充放电过程中大的体积变化、电极易粉化破裂,从而导致电池容量迅速衰减等问题。高理论能量密度的锂硫电池因近年来的迅速发展而备受关注,但充放电过程中硫的体积膨胀、低库仑效率和多硫化物的“穿梭效应”等问题一直限制着锂硫电池的工业化发展。目前各种电子消费产品和电动汽车的市场规模不断扩大,开发高性能储能材料已成为当前的研究重点。本论文以水包油乳液体系为基础,设计了具有微胶囊结构的一系列复合电极材料,有效改善了锂电池电极材料的储锂性能。相关研究工作包括:(1)利用水包油乳液体系制备了硅(Si)纳米颗粒填充的微型碳胶囊。当用作锂电池负极时,在锂化和脱锂过程中,微胶囊为Si的体积变化留有足够的空间;Si颗粒受到壳层的保护,减少了材料的损失和避免一些副反应的影响;导电壳改善了复合材料的导电性。研究发现,所制备的硅填充碳胶囊负极具有良好的电化学性能,包括稳定的容量和良好的倍率性能。在1.9 A g-1的电流密度下循环500次后,电池容量依然保持在了1100 mAh g-1,库仑效率≈99.9%。同时,我们也通过密度泛函理论模拟和原位透射电镜研究了胶囊内硅的机械稳定性。(2)提出了一种简单的水包油乳液策略制备了锡(Sn)纳米花填充微胶囊。胶囊稳固的碳壳有效地减少了被包裹的Sn纳米结构的粉碎,胶囊内部的空隙为锡在锂化-脱锂过程中的体积变化提供了有效的空间,有利于提高胶囊负极的电化学性能。充放电过程中的动力学和锂离子扩散的研究表明碳微胶囊为电子和锂离子的输运提供了一个合适的环境。锡填充微胶囊具有良好的电化学性能,在0.38 A g-1电流密度下200次循环后,容量高达800 mAh g-1,在三轮倍率测试后电化学性能也仍旧保持稳定。(3)通过水包油乳液体系制备了具有新型微胶囊结构的Co@CNTs@C/S复合材料。包裹了碳纳米管的三维中空结构能够有效地容纳和吸附硫,减轻了多硫化物在充放电过程中的穿梭溶解,提高硫的负载量和利用率,并且微胶囊碳层和碳纳米管也改善了硫正极的导电性,提高了电池的循环稳定性和倍率性能。所研制的正极材料的硫含量可达到65.5 wt%,在0.1 C的电流密度下经过500次循环后仍具有581 mAh g-1的稳定高放电容量。