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能源危机和环境污染的加剧极大地推动了绿色可再生能源和储能技术的发展。受限于日益枯竭的锂资源、昂贵的成本及使用过程中的安全问题等,在便携式电子产品市场占据主导地位的商用锂离子电池技术很难进一步满足大规模储能的需求。镁离子电池由于镁金属丰富的地壳储量、高理论比容量（3833 mAh cm-3,2205 mAh g-1）和常规条件下平滑的沉积行为等特性有望在某些场合取代锂离子电池。然而,镁金属与传统电解液之间严重的不兼容性极大限制了镁离子电池的发展。使用高理论比容量和低反应电势的合金型负极材料不但能够有效规避镁金属在传统电解液中的钝化问题,并且有利于与高电压/容量的正极相匹配,从而构建高性能镁离子电池体系。但是,目前广泛研究的合金型负极材料（如Bi、Sn、Pb和Sb等）仍面临着严峻的挑战,如较低的电化学反应活性、缓慢的扩散动力学及充放电过程中巨大的体积变化等。为了应对这些难题,本文以磁控溅射方法为主,结合轧制和涂覆等手段,通过对电极材料界面和成分调控,制备了一系列自支撑合金型负极材料（Pb-Bi、Sn-Bi、Sn-Al及液态Ga基电极等）并改善了其储镁性能,并采用原位/异位手段结合理论模拟揭示了其反应机理。在电极材料中增加相及相界面能够有效缓解相变过程中的体积变化并促进离子传输。基于相工程策略,通过磁控溅射法制备了具有不同成分和相组成的Pb-Bi薄膜（单相Pb、Bi、Pb0.7Bi0.3 和双相 Pb0.7Bi0.3/Bi）。与单相 Pb、Bi 和 Pb0.7Bi0.3 电极相比,双相 Pb0.7Bi0.3/Bi电极的循环稳定性和倍率性能得到明显提高。结合原位X射线衍射（XRD）技术和密度泛函理论（DFT）计算,揭示了 Pb0.7Bi0.3和Pb0.7Bi0.3/Bi电极的储镁机理,发现两者均遵循两步合金化过程,放电产物均为Mg3Bi2和Mg2Pb,且充放电过程中均有中间相Pb0.85Bi0.15形成。此外,双相Pb0.7Bi0.3/Bi电极表现出与传统电解液的良好兼容性。基于双相结构及相界面对Pb-Bi电极的有效作用,用低成本、高理论比容量的Sn元素替代Pb,通过磁控溅射法制备了类共晶成分、纳米多孔的双相Bi-Sn薄膜。与单相Bi和Sn电极相比,双相Bi-Sn电极的电化学性能（比容量、循环稳定性和倍率性能）显著改善,这可归因于Bi/Sn两相之间良好的协同作用、相界面的增加及纳米多孔结构,有效缓解了充放电过程中的体积变化并缩短了离子的传输距离。借助原位XRD技术,发现双相 Bi-Sn 电极遵循两步储镁过程,即 2Bi+3Mg2++6e-（?） Mg3Bi2,Sn+2Mg2++4e-（?）Mg2Sn。研究发现,溅射纯Sn薄膜即使在小电流密度下也没有反应活性。基于此,通过磁控溅射法在Sn中引入不同含量的Bi,获得了具有纳米多孔形貌、不同成分的双相Sn-Bi薄膜,在实验上揭示了引入第二相Bi及相界面能够有效激发Sn与Mg的电化学反应,而且增加Bi含量能够明显改善Sn-Bi电极的储镁性能。第二相Bi及相界面对于Sn的激活作用在微米尺寸的轧制Sn-Bi体系中也得到了证实。此外,DFT模拟计算表明,Bi的加入可以显著降低Sn的缺陷形成能,进一步验证了实验结果的合理性。在上述研究“引入第二相Bi及相界面”的基础上,为了排除先生成Mg3Bi2相的影响,以探究激发Sn反应活性的决定性因素,通过磁控溅射法制备了纳米尺寸的双相Sn-Al、Sn-Pb和Sn-ZnO薄膜。以Sn-Al体系为例,结合实验和DFT模拟,发现不论在纳米还是微米尺寸,引入非活性Al相及相界面均能够激活Sn与Mg的电化学反应。特别是,轧制Sn-Al电极表现出优异的长循环稳定性（＞5000圈）。原位XRD结果显示,Sn-Al 电极中只有 Sn 相参与储镁反应,即 Sn+2Mg2++4e-（?）Mg2Sn,而 Al相在充放电过程中稳定存在而且激发了 Sn的储镁能力。更重要的是,第二相及相界面对于Sn的激活作用同样适用于金属相Pb和氧化物相ZnO,表明引入相及相界面策略对激发Sn储镁活性具有通用性。为进一步解决合金型负极材料在充放电过程中因体积变化较大而导致比容量快速衰减的问题,以不锈钢网（ssm）为集流体,通过涂覆方法制备了具有“自愈”性质的自支撑液态Ga（熔点29.8℃）电极（ssm-Ga）。由于液态Ga与ssm之间的润湿性差,ssm-Ga电极并未表现出令人满意的循环性能。为了解决这一问题,通过在ssm表面构筑CuGa2层显著改善了液态Ga与集流体之间的润湿性。与ssm-Ga电极相比,在38℃下ssm-CuGa2-Ga电极的储镁性能有明显提高。在此基础上,为使液态电极在接近室温下实现高储镁性能,在液态Ga中加入13.5 wt.%的Sn,获得了熔点（20.5℃）低于室温的共晶GaSn（EGaSn）合金,同样通过在ssm表面构筑CuGa2层显著提高了液态EGaSn合金与集流体之间的润湿性,使ssm-CuGa2-EGaSn电极在38和28℃下均表现出更优异的电化学性能（比容量、循环稳定性和倍率性能）。结合原位XRD技术和异位扫描电子显微镜（SEM）表征,揭示了液态Ga和EGaSn电极的储镁机理和“自愈”性质,液态Ga电极的反应机理为 5Ga+2Mg2++4e-（?） Mg2Ga5,而液态 EGaSn 电极遵循 EGaSn （?） Mg2Ga5+Mg2Sn的反应机制,发现Mg2Ga5和Mg2Sn在充放电过程中同时出现和消失。另外,液态Ga和EGaSn电极与传统电解液之间均具有良好的兼容性。综上,基于合金化策略、电极材料中相及相界面的调控及电极材料与集流体之间的界面调控等制备了一系列合金型负极并改善了其储镁性能,同时结合原位表征及DFT计算深入探究了合金型负极的储镁机理,这为高性能负极材料的设计和研发提供了实验依据,对于推动镁离子电池的发展具有实际意义。