大规模化学储能体系,如锂离子／钠离子电池正因为其对环境的友好性,丰富的自然资源等优势成为科学家们炙手可热的研究对象。然而,随着人们对新储能体系大功率,高能量密度等要求的不断升级,电极材料研究的滞后性却成为了限制这一类体系继续发展的重要瓶颈。因此,寻找并开发新的性能更加优异的电极材料已经成为了目前科学家们所要攻破的重大挑战之一。同步辐射光源的高强度、波长连续可调、以及高分辨率等独特优点使得它成为了研究物质结构最为强大的手段之一,可将之应用于研究电极材料中各种元素的原子周围化学环境,获取电极材料中组成元素的氧化态、局域结构、近邻配位原子等重要信息。此外,同步辐射技术还可实现锂离子电池充放电过程的原位研究,获得电池充放电过程电极材料的结构演化、过渡金属离子氧化态以及局域结构变化等信息,精确揭示电池反应机理。本论文旨在借助于同步辐射相关技术结合第一性原理计算等对现有电极材料的几何局域结构以及电子结构进行深入、系统的研究,从而建立起新的结构-性能构效关系；并在此新构效关系上寻找并发展新型的、具有优异性能的潜在电极材料；并继续借助同步辐射技术实现原位观察电池充放电反应过程,为进一步发展更好的电极材料做好铺垫工作。主要的研究内容包括如下几点：1.利用掺杂的实验工艺,成功地在传统锂离子电池的磷酸铁锂电极材料中添加了锰,合成出具有较好比容量的复合电极材料。借助于同步辐射吸收谱对局域结构的敏感性,我们的实验结果表明,在这种复合体系中,锰和铁是以异相形式存在,超高分辨电镜表明LiFePO4和LiMnPO4的结晶区域在几个纳米范围。电化学数据显示出LiFe0.75Mn0.25PO4具有最好的充放电性能。我们复合电极材料的研究揭示了不同组分和微结构对锂离子电池性能的影响,这种对传统电极材料的新结构-性能构效关系的研究将为以后发展的高性能电极材料的筛选提供实验基础和表征手段。2.利用水热法成功合成出一种新型的单位点双电子Na3FePO4CO3混合聚阴离子型钠离子电池正极材料。电化学测试结果表明这种Na3FePO4CO3纳米片材结构不仅能够提供高于传统LiFePO4材料近一倍的能量密度,同时还能够保证材料在实际使用中的安全性能。原位和非原位的X射线吸收谱实验证实了这种高容量是来自于Fe2+3+和Fe3+/4+这两对氧化还原电对。这个结果对于以后发展新型的高能廉价Fe基电极材料提供了一个很好的铺垫作用。3.利用溶剂热法首次成功的制备出了新的磷锰钠石族结构材料NaFePO4,这种新的矿物质材料是一种双位点体系,不仅具有磷锰钠石族自然矿物质的骨架结构,同时还因为其具有纳米仙人球一般的独特形貌而具有超乎寻常的电化学活性。实验证明这种材料在新型钠离子电池中能够表现出很好的循环稳定性和倍率性能,是一种潜在的优异的电极材料。此外,我们还借助于同步辐射X射线吸收谱学方法对其整个充放电过程进行了研究,结果表明这种材料在整个电化学反应过程中都能够维持很好的结构稳定性,这也为其优异的电化学性能提供了一个理论依据。4.在上述合成工作的基础上,我们又进一步合成了其他几种磷锰钠石族矿物质结构双位点材料,发现其除了在形貌上存在一定差异外,电化学活性和磁性等其他物理性质也存在一定的差异。因此,我们利用了软硬X射线吸收谱技术对其静态电子几何结构信息分析,同时结合其他大量的先进表征技术对其精细结构和物理性能进行了深入分析,得到了不同于橄榄石结构的结构性能关系。这一结果将为我们以后探索新的矿物质结构材料作为电极材料使用提供一个新的构效关系。