钾储量丰富,氧化还原电势低（K/K+,-2.93 V）,而且在电解液中K+具有相对较低的路易斯酸度,这些优点使得钾离子电池在成本、寿命、功率和能量密度等方面展现出突出优势,使其成为大规模储能电源的理想选择之一。然而,K+半径和质量较大,在电极材料中扩散速率缓慢,这给储钾电极材料的开发利用带来巨大的挑战。碳材料价格低廉且环境友好,可与钾形成KC8化合物;金属锑能够与钾发生多电子合金化反应形成K3Sb,获得更高的容量。因此碳基和锑基材料成为储钾负极材料的理想之选。但碳材料储钾容量偏低、倍率性能和循环稳定性差,金属Sb在合金化过程中体积变化较大,循环容量衰减严重。针对上述问题,本论文了开展了以下研究内容:（1）采用第一性原理计算对氮掺杂石墨烯材料的电子结构和钾的吸附行为等性质进行研究。结果表明:氮掺杂石墨烯材料中,吡啶氮和吡咯氮能显著增强材料电子导电性,并且吡啶氮和吡咯氮对K原子的吸附能分别为-2.78 eV和-2.70 eV,有利于K原子在表面的吸附。实验上利用原位热解的方法,通过调控氮源比例可控合成了不同氮掺杂量的多孔碳材料,并详细探究了其储钾性能。其中氮掺杂含量为12.44 wt%的多孔碳具有最优的倍率性能（2 A g-1下保持216 mAh g-1）和循环稳定性（0.5 A g-1下循环800周容量保持229 mAh g-1）。（2）利用第一性原理计算对硫掺杂石墨烯材料的电子结构和吸附行为等性质进行研究。结果表明:硫掺杂使材料导电性增强,并且噻吩硫处对K原子的吸附能为-4.13 eV,促进了 K+在电极表面的吸附。在此基础上,设计合成不同碳化温度的多孔碳,并对其硫掺杂改性,探究硫掺杂以及碳化温度对其储钾性能的影响。结果表明:硫掺杂可显著改善多孔碳材料的电化学储钾性能,SPC-600（600℃下样品）的电化学性能改善最为显著,在0.1 A g-1时,首次充电容量为417 mAh g-1,循环100圈后可逆比容量保持342 mAh g-1,容量保持率为82%。（3）利用基于密度泛函理论的第一性原理研究了 KxSb（x=0.5、1、1.25、3）合金相。结果表明:Sb在与K合金化过程形成K3Sb时体积膨胀高达455%。因此,本文通过球磨法合成了不同比例的Sb/C复合材料。结果发现:组分比为Sb:C=3:7时,循环稳定性最好,在0.1 A g-1时循环100圈后可逆容量能够达到235 mAh g-1。