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由于化石能源的不可再生性以及其使用而引发的严重环境污染问题,迫使人们将目光聚焦在大规模地开发和利用清洁能源上。但目前大部分的清洁能源(如:太阳能、风能、潮汐能、地热能等)仍受到诸如时间、地点、季节等条件的限制,导致其供应不稳定,存在着明显的“峰值”和“峰谷”,因此,人们不得不开发大规模储能系统对其进行能量存储以满足稳定的供需需求。目前,锂离子二次电池因其具有较高的能量密度、良好的循环性能以及较小的自放电等优点得到人们的普遍青睐;但是对于大规模储能系统而言,首先需要考虑的是成本效益,而能量密度次之。由于锂资源在地壳中的丰度低且锂资源在全球分布不均等造成锂离子电池价格偏高,进而导致锂离子电池无法应用在大规模储能系统中。而钠由于在地壳中的丰度高、资源分布广泛,并且与锂处在同一主族具有性质相似等特点进而成为最有希望代替锂离子电池的电池体系。因此,本文分别选用P2型Na0.8Zn0.06Ni0.22Mn0.6602正极材料和纯钠负极作为研究对象,通过多巴胺原位包覆以及设计三维钠金属负极结构使得材料的电化学性能得到显著提升,并对其进行详细分析,系统地解释电化学性能提升的原因及机理。其具体的研究内容分别如下:(1)本研究采用原位包覆的方法,以多巴胺(DA)为碳源,通过聚合反应制备了聚多巴胺包覆的Na0.80Ni0.22Zn0.06Mn0.66O2(P2@PDA)样品。然后,将P2@PDA样品在550℃下碳化从而得到P2@C-PDA纳米颗粒。之后将所得到的P2@C-PDA纳米颗粒作为钠离子电池的正极材料。与未包覆的P2材料相比,P2@C-PDA材料表面由于具有5 nm左右的连续、均匀的PDA碳化包覆层(C-PDA),因而使其展现出了更高的放电比容量(在电流密度为12 mA g-1下放电比容量为123.5 mA h g-1)、更好的倍率性能(在电流密度为1536 mA g-1下放电比容量仍维持有61.5 mA h g-1)以及更加优异的循环稳定性(经过100圈的循环后容量保持率为90.70%)。随后通过采用XRD、SEM、TEM、XPS表征方法以及电化学测试,探讨了碳包覆层对P2样品电化学性能的影响。结果表明,聚多巴胺衍生的碳包覆层不仅可以有效防止在电极制备过程中P2型Na0.80Ni0.22Zn0.06Mn0.66O2表面的钠脱出,也能够避免电化学有害物质Na2C03/NaOH的形成,表明聚多巴胺包覆是一种有效提高P2型Na0.80Ni0.22Zn0.06Mn0.66O2界面稳定性的方法。因此,可以采用多巴胺的包覆来显著提高P2型Na0.80Ni0.22Zn0.06Mn0.66O2材料的循环稳定性和倍率性能。(2)本研究采用一种简易、可控的氧化处理方法,在商用泡沫铜的骨架上原位构建了一层蓬松的CuO表面层(SF-Cu)。实验过程中通过改变氧化剂(NH4)2S2O8的浓度,进而调节泡沫铜表面层的氧化程度和相间结构(该表面层结构与Na浸润动力学相关)。然后,将SF-Cu作为钠金属电池(SMBs)中用于容纳金属钠的3D集流体。通过这种界面的优化,使得金属钠可以在5秒内快速浸润到SF-Cu的孔隙中,从而得到结构完整、表面平整、无明显孔洞的Na/SF-Cu复合电极。通过使用这种具有大比表面积的SF-Cu作为容纳金属钠的3D集流体可以有效地降低电极在循环过程中的局部电流密度,有助于金属钠的均匀沉积,进而抑制钠枝晶的形成和生长。得益于这种结构上的优势,Na/SF-Cu对称电池在0.5 mA cm-2的电流密度下经1000 h的循环后仍呈现出平坦的充放电曲线和低的过电势(12 mV)。除此之外,Na/SF-Cu对称电池在5 mA cm-2的高电流密度下仍可维持稳定的循环能力。当与NaTi2(PO4)3/C配对组装为全电池时,使用Na/SF-Cu复合阳极组装的全电池的倍率性能明显优于使用纯Na作阳极的全电池。这项工作为高能量密度、高倍率性能的SMBs的三维集流体界面结构的设计提供了新的思路。