能源短缺和环境污染,是当今也是未来全球发展的核心问题。开发高效节能、绿色环保的新能源成为有效缓解甚至解决这些问题的关键。锂离子电池与超级电容器因其各自鲜明的特点和优势,从众多能源存储装置中脱颖而出,引起了人们的广泛关注。然而,它们的进一步发展都受限于一系列的问题,比如能量密度偏低,稳定性有待提高等等。本研究针对目前存在的这些问题,从材料的设计和可控合成出发,制备了一系列的多壳层金属氧化物空心微纳米结构,并将其用作锂离子电池和超级电容器的电极材料,以期改善现有状况并进一步提高二者的综合性能,取得了一些阶段性的研究成果,主要内容如下：1.针对四氧化三钴(CO3O4)在锂离子嵌入-脱出过程中体积膨胀大,结构易破坏,电池循环寿命短等问题,通过采用碳微球模板法以及一系列辅助策略来强化碳模板对金属前驱体盐的吸附,设计合成出尺寸与形貌十分均匀的多壳层CO3O4空心球。将这些多壳层Co3O4空心球用作锂离子电池负极材料,展示出了十分优异的循环性能和极高的比容量(电流密度为50 mA/g,循环三十次后,三壳层空心球的放电比容量为1615.8 mAh/g),并且电池的倍率性能也得到了很大提高。2.采用五氧化二钒(V2O5)取代目前商业使用的正极材料,可进一步提高锂离子电池的总体比容量。然而其在充放电过程中发生的剧烈相变及由此导致的结构不稳定,限制了它在锂离子电池中的应用。针对这一问题,本研究基于一种新的合成理念,即阴离子相互竞争地吸附在碳球模板上,并通过Trojan催化燃烧去除模板,制备得到了V2O5多壳层/多腔体空心结构。通过调控合成条件,产物的壳层数、壳壁厚度、孔径分布以及结晶性等参数都得到了很好的控制。受益于多壳层空心球的结构优势,V205多壳层空心结构展现出了创纪录的比容量、优异的循环稳定性(电流密度为1000mA/g时,首次循环和100次循环后的比容量分别为447、402 mAh/g)和倍率性能,为高能量及高功率密度锂离子电池的设计与开发提供了新的思路。3.锂离子电池的能量密度取决于比容量和电压窗口两个因素。三氧化二铬(Cr203)作为锂离子电池负极材料,不仅理论比容量比Co3O4,Fe2O3的更高而且放电电压平台更低,极具发展前景。然而其在充放电过程中也存在着结构易破坏,电化学连接性变弱,循环稳定性下降等一系列问题。针对这些问题,本研究通过调控碳球模板的尺寸及金属盐吸附时间,控制铬前驱体在碳球中的吸附量和嵌入深度,成功制备出了单、双、三、四和五壳层Cr203空心球。将其用作锂离子电池负极材料,表现出了优于以往所有报道的基于Cr203微纳米结构的锂离子电池性能。4.多壳层空心结构不仅能够应用于锂离子电池,而且在超级电容器中也有十分显著的应用优势。本研究设计合成了三氧化二锰(Mn203)多壳层空心球,并精确控制了空心球的壳层数、壳壁厚度、晶粒尺寸等结构参数,解决了Mn2O3材料实际比表面积低,离子以及电子传导性差,易溶解在电解液中等问题。用作超级电容器电极材料,极大地提高了超级电容器的比电容量(电流密度为0.5 A/g时,三壳层空心球的比电容量为1651 F/g),并改善了其循环性能以及倍率性能。