随着先进电化学储能转化装置(锂离子电池和超级电容器)的发展,对电极材料提出了越来越高的性能要求。本论文在分析电化学储能机理的基础上,根据多元化的应用需求,提出了设计合成多尺度金属氧化物基纳米复合材料的构想。基于功能性组元优选、复合结构设计及性能优化等理念,设计合成了四种高性能的金属氧化物基纳米复合材料,包括MnO2/C、SnO2/CNT、TiO2/CNT和MoO3/TiO2,分别进行了材料制备、微观结构表征、电化学性能测试及储能机理分析。所得结果为充分发挥金属氧化物电极材料的性能潜力,并发展新型纳米复合结构提供了基本途径。　　通过碳孔结构的构效分析,首次利用有机/无机多组分共组装方法设计合成了新型多级孔结构的碳骨架。高比表面积(1996m2?g-1)的碳骨架具有整体无序而局部有序的分级式孔结构,其中大孔孔径为70~100nm,介孔隧道的孔径为6~8nm,相互连接的大孔之间孔壁厚度大约为10~20nm。利用KMnO4自限制机理,以碳骨架为自牺牲模板原位氧化/还原制备出MnO2/C纳米复合材料,保留的大孔孔壁厚度小于100nm,MnO2活性物质载量达到83wt.％。研究表明,MnO2/C的比容值随着MnO2载量的增加而增加,而其导电性随之降低。合理优化及控制导电碳骨架和MnO2的质量配比,能够使复合材料同时具有高比容值和优异的倍率性能。活性物质含量为72wt.%的MnO2/C在电流密度为100mA?g-1时,其电容值为218F?g-1;电流密度为1A?g-1时循环100次后,容值保持率为100%。　　采用喷雾热解法利用液氮缩聚制备Sn前驱体溶液,获得了新型多级结构的SnO2微米球(直径范围为0.2~1.5μm)。每个微米球由自组装的金红石SnO2纳米晶粒子(~10nm)和蠕虫状介孔通道(3~4nm)构成三维连续网络。酸氧化的碳纳米管与SnO2微米球烧结时缔合形成氢键,构建了柔韧的多级SnO2/CNT纳米复合结构。在锂离子嵌入/脱嵌过程中具有缓冲弹性并保持完整性。基于各组元质量配比优化,可使SnO2/CNT纳米复合材料在倍率0.1C时,可逆容量高达840mAh?g-1;从高倍率1C阶梯式递增至5C共循环300次后,容量依然保持在372mAh?g-1。　　通过疏水分散结合溶剂挥发诱导界面自组装,构建了以TiO2、SnO2纳米晶粒子和原始碳纳米管为功能性组元的纳米复合材料。利用两相水热合成法制备了单分散的TiO2纳米晶粒子,并首次制备出非单分散的金红石SnO2纳米晶粒子(粒径约为3~4nm)。TiO2和SnO2纳米晶粒子均与碳纳米管形成紧密的界面,使得TiO2/CNT和SnO2/CNT两种电极在不同电压区间呈现优异的倍率性能、循环稳定性及高容量。TiO2/CNT电极分别在电压1.1~3V(vs.Li+/Li)区间性能优异。随着扫描速率的增加,TiO2/CNT-20%电极呈现的赝电容占储存总荷量的比例增加。在倍率0.5时,其容量为264mAh?g-1;从倍率1C阶梯式递增至100C持续循环500次后,容量保持为100mAh?g-1。SnO2/CNT-20%电极在电压0.005~2.5V(vs.Li+/Li)区间,低倍率0.2C下可逆循环100次后,容量保持率几乎为100%。　　为了进一步提高金属氧化物复合材料的电容量,利用喷雾热解法首次制备出新型多级结构的MoO3/TiO2纳米复合材料。初步研究了嵌锂过程中MoO3和TiO2的协同效应及复合电极的导电扩散行为。研究表明,选择结晶MoO3和无定形TiO2作为功能性组元,有利于改善MoO3/TiO2纳米复合材料的导电性和结构稳定性。当扫描速率为1mV?s-1时,其电容量达到386mAh?g-1。针对增强金属氧化物电极材料循环稳定性的需要,采用原子层沉积(ALD)技术将Al2O3膜(5~6?)沉积于MoO3/TiO2电极表面,有效地提高了高倍率下的比容量和循环稳定性。Al2O3膜共形的MoO3/TiO2电极经1C倍率下循环200次时,电容量为228mAh?g-1;高倍率10C下循环1000次后,其电容保持率依然达到62%。