锂离子电池是当前综合性能最好的绿色化学能源存储技术,是保障国家能源安全和发展低碳经济的关键技术之一。随着高能耗产业如数字通讯娱乐设备、电动交通工具等的迅猛发展,传统锂离子电池已难以满足应用需求。电极材料是锂离子电池的核心组件,是制约其能量密度提高的瓶颈。但传统正、负极材料容量有限,难以实现电池能量密度的突破性提高。锂硫电池和锂空气电池是以硫单质和氧气为正极材料的新型锂二次电池体系,具有数倍于传统锂离子电池电极材料的能量密度,且硫和氧气来源丰富,价格低廉,环境友好,因而被视为最具发展前景的化学电源之一。目前锂硫电池和锂空气电池的发展尚处于起步阶段,亟需设计开发循环寿命长、可大电流充放电的电极材料以满足实际应用需求。本论文基于碳基中空纳米复合材料设计构筑了一系列复合中空纳米材料,以增强材料结构稳定性及反应动力学为中心,将中空纳米结构与碳材料、金属／金属氧化物有机融合,通过对其结构和化学组成的精细调控实现高性能锂硫电池电极材料及锂空气电池催化剂的创制,主要工作内容如下：基于硬模板辅助的水热方法成功构筑碳包覆二氧化锡(SnO2/C)中空纳米球结构,其球壳厚度约数十纳米,尺寸均一,内部的中空结构可作为封装硫材料的限域空间与锂硫反应纳米反应器。电化学反应过程中,SnO2/C球壳层可高效抑制锂硫电池反应中间产物的溶解扩散与流失,有效延长锂硫电池循环寿命,提高其倍率性能及储锂比容量。0.5 C倍率下比容量为896 mA h g-1,2-5 C倍率下,循环400次后比容量仍可保持在300-396 mA hg-1,表现出优异的循环稳定性和倍率性能。发展了固相热解原位填充法碳纳米管的新策略。将铁纳米颗粒填充到氮掺杂碳纳米管限域空间内,基于铁纳米颗粒、掺杂N原子与碳纳米管之间的电子转移效应,在碳纳米管表面引入反应活性位点,大大增强锂空气电池反应的可逆性,降低析氧反应过电势。电流密度为1000 mAg-1时,比容量可达2700 mA h g-1,限制比容量为1000 mA h g-1,电流密度为100 mA g-1时,电池可稳定循环55次以上,电化学性能优异。