随着便携式电子设备、储能系统等日益增长的需求,可充电锂离子电池和超级电容器作为能源储能器件较具前途,从而引起了研究者的广泛关注。然而在这些器件的工作过程中存在着很多因素如充放电过程中产生的材料相变和体积变化等容易导致其容量的衰减。在锂离子电池领域,硅基材料因其远超石墨负极(372 m Ah g-1)的高理论比容量和低电极电势成为了极具潜力的锂离子电池负极材料之一,然而在脱嵌锂过程中存在的体积膨胀等问题导致其可逆容量的逐步降低和循环寿命的恶化。充放电过程的体积变化问题同样也存在于其他储能器件中,如导电聚合物基赝电容材料,其充放电的机理对应导电聚合物的掺杂/脱掺杂,该过程涉及体积的不断膨胀变化,从而长循环稳定性及其它电化学性能因此受到影响。基于此,本论文的研究目的拟为该类电极设计合理的体积膨胀缓释空间,来维持电极材料循环过程中的体积完整性,从而增强其循环寿命和性能保持率。具体内容如下:一、采用软模板刻蚀和高温煅烧相结合的方法制备纳米硅/富空间/碳包覆结构复合材料,提高材料导电性的同时可有效缓解硅在充放电过程中存在的体积膨胀:在纳米硅周围合成碳酸钙（Ca CO3）作为软模板,使用碳纳米管作为导电添加剂,采用对甲苯磺酸铁作为氧化剂,原位生长聚吡咯（PPy）包覆硅/碳酸钙复合物。所得材料经高温碳化以及稀盐酸刻蚀,得到Si NP@Void@N,S doped-C复合材料。通过电化学测试,所得材料具有良好的循环稳定性及倍率性能。在0.3 A g-1电流密度下首次库伦效率为63.3%,充放电循环75次后,仍保持有952.6 m Ah g-1的可逆容量。对材料进行倍率测试,当电流密度从2 A g-1回到0.1 A g-1时,仍有1042 m Ah g-1的充电容量,与首次充电容量相比,具有92.6%的容量保持率。富空间功能碳包覆结构为纳米硅在循环过程中存在的体积膨胀提供了一定的缓释空间,另一方面氮,硫掺杂碳层有效增加了材料的导电性。二、为进一步简化合成步骤,采用一步合成和高温煅烧去除软模板相结合的方法制备多空隙结构硅碳复合材料:硫作为模板剂溶于二硫化碳中,与纳米硅液相混合,采用乙基纤维素作为碳源,添加碳纳米管,于丙酮中包覆后纳米硅/硫复合物,设置高温煅烧程序去除硫,高温煅烧碳化后得到Si@Void@C复合材料,所得材料在0.2A g-1和1A g-1电流密度下循环100次后,分别具有1663.5 m Ah g-1和1201.60 m Ah g-1的可逆容量。充放电曲线具有很好的重叠性,证明所合成硅碳材料具有优越的循环稳定性及电化学性能。三、采用改进的气相聚合（VPP）方法,利用多孔模板（Ca CO3）将传统的聚吡咯薄膜从致密结构调控为柔性三维多孔结构。多孔结构的设计使聚吡咯薄膜具有更高的表面积和孔体积,且有效抑制了PPy在掺杂/反掺杂过程中存在的体积变化。且在氧化还原反应的总电荷中,赝电容的贡献大于扩散控制过程的贡献。恒电流充/放电（GCD）测量结果表明,优化后的三维多孔PPy膜电极在三电极装置下,在1.0 A g-1电流密度下的质量比电容和面积比电容分别为313.6 F g-1和98.0 m F cm-2,对称电容装置中,在0.5 A g-1电流密度下的比电容为62.5 F g-1,在10 A g-1处的比电容为31.1 F g-1。采用三维多孔PPy电极的对称超级电容器在循环10000 GCD后的电容保持率可达81.3%。对比循环前后的电极SEM照片,多孔PPy膜电极维持了较好的形貌,而纯致密PPy电极则发生破裂和坍塌现象。多孔结构为PPy薄膜提供了适应掺杂/反掺杂过程中体积变化的能力,该方法有望为柔性和可穿戴薄膜电极的高性能设计和合成提供有价值的指导。