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碱金属离子电池（Alkali metal ion batteries,AIBs）,主要包括锂离子电池（lithium-ion batteries,LIBs）、钠离子电池（sodium-ion batteries,SIBs）和钾离子电池（potassium-ion batteries,PIBs）。由于碱金属低的标准电极电势和一价碱金属离子的快速动力学,AIBs因此具有高能量密度和功率密度的优势。其中,尽管LIBs因高能量密度、高工作电压和长循环寿命已成功商业化,但地壳中有限的锂资源限制了其进一步发展。另外,虽然SIBs和PIBs的能量密度通常低于LIBs,但钠和钾的资源和成本优势使其在特殊应用领域具有一定的市场竞争力。另外,锂、钠和钾在元素周期表中属于同一主族,因此在LIBs方面的一些研发经验,如电极材料、电解液、隔膜和电池制造等技术,也可以用于SIBs和PIBs。能量密度是评价电池性能最关键的指标之一,主要与电极材料和电池的制造工艺有关。本论文主要致力于开发各种高能量密度和高稳定性的AIBs负极材料。先进的表征工具和密度泛函理论（density functional theory,DFT）计算也用于阐明碱金属离子存储和性能衰减的内在机理。最后,本工作还根据活性材料的负载量、倍率、循环、能量密度和效率评估了一些特定材料的实际应用潜力。本论文的第一部分是关于构建人工固体电解质界面（solid electrolyte interface,SEI）来抑制石墨材料的剥离,用于提升LIBs的循环寿命。尽管石墨因具有较好综合性能一直主导着商用LIBs的负极市场,但它在快速充电过程中的容量衰减以及析锂限制了其进一步发展的空间。在本工作中,天然石墨（graphite,G）不仅在快速充电时容量偏低,而且在多次循环后,电池完全失效。通过不同的表征技术,本工作发现严重的石墨剥离和不稳定的SEI是G失效的原因。本工作于是提出了一种采用新型的超薄人工SEI策略,有效的解决了这些问题。改性后的石墨（G@C）具有非常优异的电化学性能,在1 C（1 C=350 mAh g-1）下循环400次后容量保持率约为 97.5%。本论文的第二部分是关于探索在SIBs中具有实际应用潜力的红磷材料。尽管SIBs是最有前途的下一代电池技术之一,但相对较低的能量密度限制了其大规模应用的潜力。本工作首先采用了各种优化策略,包括球磨时间、粘合剂、导电剂和电解液添加剂来提升磷碳负极的稳定性,且通过电池拆解分析,发现界面稳定性的增强是电池性能提升的主要原因。原位TEM和电化学分析表明,磷碳复合材料需要进一步与商业化的硬碳负极二次复合,才能具有较好的综合性能,以应用于全电池。本工作还通过电化学预钠化的方法提升了复合材料的首次库伦效率。全电池测试表明,电池具有150Wh Kg-1的能量密度,明显优于商业化的硬碳负极材料。本论文的第三部分是关于通过配位原子和碳包覆来提升锡基负极的转化和合金化反应的可逆性用于高性能的LIBs。Sn基合金,例如SnO2、SnS和Sn4P3等,由于存在转化和合金两步反应机理,因此比容量很高。然而,它们也面临着诸多挑战,例如转化和合金反应的不可逆性、较大的体积变化、不稳定的SEI和缓慢的动力学等。本工作首先利用原位XRD证明了SnO2和SnS反应的不可逆性,并发现可以通过配位原子和碳包覆来加以提高。优化后的SnS/C具有出色的循环性能（可稳定运行超过500次）,而这归因于材料稳定的体相结构、界面结构以及提升的动力学。本论文的第四部分是揭示Sn4P3二元合金负极在不同AIBs中电化学行为差异的起源。Sn4P3二元合金负极能够同时应用于LIBs、SIBs和PIBs,并且由于P和Sn的之间协同作用而表现出了较好的电化学性能。然而,Sn4P3负极在不同AIBs中电化学行为的差异很大,对于这种差异背后原因尚不清楚。本工作结合XRD、TEM和DFT表征,发现充放电过程中,Sn4P3负极首先发生Sn和P的分相,然后碱金属离子嵌入P中,最后嵌入Sn中。此外,微分电化学曲线和XPS结果表明,碱金属在P和Sn中的深度嵌入,严重的钠金属枝晶生长,不稳定的SEI和缓慢的动力学都将导致电池容量的衰减。本论文的第五部分是关于将双盐电解液添加剂用于稳定的锂金属负极/富锂锰基正极电池。尽管锂金属负极搭配富锂锰基（lithium-manganese-rich,LMR）正极的电池具有很高的能量密度,但锂金属的高反应活性和LMR在循环中表面结构的重构,将使电池性能严重衰减。本工作设计了一种包含LiBF4和LiFSI双盐添加剂的多功能电解液,它使Li/LMR电池具有出色的循环性能,在0.5 C、1 C和2 C下循环400次后的容量保持率分别约为83.4%、80.4%和76.6%。失效分析表明,双盐电解液有助于形成薄的、均匀的、富含无机物种的SEI和正极电解质界面（cathode electrolyte interface,CEI）。此外,它还能缓解锂金属的腐蚀,增强LMR的结构稳定性。