随着世界范围内能源危机和环境污染的日益加剧,发展并合理利用可持续的清洁能源以建立大规模储能体系迫在眉睫。自从1991年索尼公司推出首个商用锂电池以来,经过30余年的蓬勃发展,锂离子电池作为先进储能装置已经可以满足人们对高能量和功率密度的需求。然而,锂和钴资源的日益耗竭导致锂电池的成本居高不下,加上其中使用的易燃有机电解液存在极大的安全隐患,因此开发安全环保且成本低廉的新型储能电池技术已然成为了现阶段的研究重点。近年来,水系电池凭借其高安全性和环境友好等优势吸引了广泛关注,尤其是水系锌离子电池,因其可以直接使用资源丰富、廉价易得的金属锌作为负极,被认为是极具发展前景的规模储能体系。但是由于锌离子带两个电荷且原子量较大、溶剂化效应严重,对其宿主材料的晶格结构要求极为严苛,设计能够实现锌离子高效存储的正极材料是推动锌离子电池商业化进程中首先要解决的关键科学问题。在诸多材料中,锰氧化物和钒氧化物分别表现出了较高的工作电压和可逆比容量,但是同时存在着锰和钒元素易溶解导致晶体结构坍塌、循环稳定性差;离子在晶体结构中扩散缓慢从而阻碍其倍率性能提升等问题。针对上述问题,本论文以锰基和钒基氧化物为研究对象,设计多种优化储锌性能的方法和策略,获得了系列性能优异的正极材料,并探讨了材料结构与储能性质之间的构效关系;在此基础上,将其推广至水系铵根离子电池和水系镍离子电池体系,得到的研究结论如下:首先,针对锰氧化物中Mn2+易溶解于水,从而导致材料的结构坍塌和容量急剧衰减的问题,我们提出了一种原位电化学诱导策略,在MnO@C电极材料的表面构筑了一层人工SEI膜。MnO@C颗粒表面的SEI膜阻碍了电极材料与电解液的直接接触,有效抑制了 Mn2+的溶解,提升了材料的结构稳定性,进而实现了优异的锌离子存储能力。在0.8-1.8 V电压区间内,0.1 A g-1的电流密度下,MnO@C能够提供251 mAh g-1的可逆比容量,经过30次循环后容量保持率高达98%。此外,得益于人工SEI膜,材料展现出了卓越的长循环稳定性,在2Ag-1的倍率下循环10000次,材料的容量保持率高达70%,相当于每次循环容量仅衰减0.003%,优于其他被报道的锰基材料。其次,为了解决层状结构钒氧化物存在的结构稳定性差、电化学反应动力学缓慢等问题,我们采用离子预嵌入方法,在V2O5层间引入结晶水和Mn2+,并通过一步水热法制备了由纳米薄片自组装而成的花球状Mn0.5V2O5·3H2O材料,提升了电极的倍率和循环性能。Mn0.5V2O5·3H2O所具有的纳米-微米分级结构缩短了锌离子的传输路径、增大了电极与电解液之间的接触面积并提供了更多活性位点,从而使电极展现出了优异的储锌性能。在0.1 Ag-1电流密度下,材料的可逆比容量为422 mAh g-1。此外,Mn2+的引入起到了稳定材料晶体结构的作用,在5 A g-1的电流密度下循环1000次后容量保持率为55.6%,远高于V2O5·3H2O（14.5%）。随后,为了进一步发挥层状结构钒氧化物大的层间距有利于锌离子迁移的优势,利用NH4V4O10材料层间的NH4+在高电压下能够脱出的特性,我们通过调整电化学反应深度,实现了 NH4V4O10材料层间距的定量可控调节。当上限电压分别为1.4,1.6,1.8 V时,对应的层间距分别为10.21,11.86,12.08 ?。层间距的扩大有利于加速锌离子的传输,提升反应动力学,然而,过大的层间距会诱导材料发生不可逆的结构相变,造成比容量的迅速衰减。因此,兼顾材料的层间距和结构稳定性,对其层间距进行定量可控调节是提升电化学性能的关键因素。当NH4V4O10的层间距扩大至11.86 ?时,展现出了最佳的倍率和循环性能。在10 Ag-1的大倍率下,比容量稳定在223 mAhg-1,且经过1000次长循环后容量保持率高达97.5%。此外,NH4V4O10也具有优异的储铵性质,在0.1 Ag-1电流密度下可逆比容量为305 mAh g-1,优于当前报道的铵根离子电池正极材料。最后,我们将目光转向了与元素锌同周期且离子半径和水合离子半径都更小的Ni2+,将其作为载流子,构建了新型水系镍离子电池体系。我们制备了具有层状结构的Na2V6O16·2H2O纳米线作为正极材料,提供了 165 mAh g-1的可逆储镍比容量,对应于2摩尔镍离子的嵌入和脱出。此外,通过非原位XRD测试发现,得益于Ni2+极小的离子半径,在电化学过程中Na2V6O16·2H2O的晶格应变仅为0.19%,“零应变”的特性保证了优异的电化学性能并延长了电极循环寿命。第一性原理计算表明,材料具有低的离子迁移势垒,这也是储镍性能优异的主要来源。综上所述,在本论文中,针对锰基氧化物中元素溶解、钒基氧化物中结构稳定性差和离子在材料晶体结构中动力学性质缓慢等问题,我们分别通过材料的表/界面修饰、功能化结构设计、层间距的定量可控调节等手段优化了电极的储能性质,结合多种表征手段系统地探究了离子存储过程中的反应机制,并将材料的应用扩展到多种新型水系储能体系。为后续水系电池体系和关键电极材料的研究提供了研究基础和理论依据。