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智能电网、家庭备用电源等大规模应用的储能系统技术需具备安全性高,成本低和寿命长等特点。由于价格低廉、安全性较高,水系电池是值得发展的一种二次电池。传统的水系电池中铅酸电池占有大量市场份额,其能量密度一般为30 Wh/kg,电池含有大量有害的Pb重金属,电解液使用硫酸,大规模应用会造成严重的环境污染。长远看来,要发展环境友好的、能量密度不低于铅酸电池的、长寿命水系电池。1、对于水系电池,通常的钠离子电池材料为Na0.44Mn02,比容量为45 mAh g-1。我们通过固相反应合成NaMn02,CV扫描结果发现该材料既具有赝电容性能又有部分脱嵌钠离子性能,因此能够在1 C的倍率下表现出65 mAh g-1的高比容量。通过和磷酸钛钠负极材料进行匹配组装全电池,在50 W/kg的功率密度下能够发挥出30 Wh/kg的能量。同时我们发现电解液对电池性能影响很大。使用1 M Na2S04作为电解液,电池在500次循环后容量衰减为首次容量的25%。通过ICP-AES元素分析和XRD粉末衍射分析发现,1 M Na2S04作为电解液,正极材料在循环过程中发生不可逆的结构坍塌并且锰元素溶解严重。使用2 M CH3COONa作为电解液,电池在500次循环后仍然能够保持首次容量的 75%。2、水系电解液本身窄的电化学稳定窗口(1.2V)导致了水系电池工作电压和能量密度低。通过向电解液中添加十二烷基硫酸钠(SDS),改变了电解液电极界面结构,使得电解液的电化学稳定窗口拓宽到2.2 V。DFT理论计算表明,SDS分子亲水端吸附在电极表面,疏水端伸向电解液中在电极和电解液表面形成一层单分子吸附层,该吸附层可以有效抑制了析氢(析氧)反应。采用锌片作为负极材料Na2MnFe(CN)6纳米材料作为正极材料组装全电池能够输出170 Wh/kg的能量。采用高浓度电解液降低水的活度能够提高水的分解活化能,电解液的电化学稳定窗口进一步拓宽到3.2 V,首次采用TiS2作为负极材料并展现出140 mAh g-1的高比容量,全电池能量密度高达100 Wh kg-1。3、我们宏量的合成了磷酸钛钠负极材料,该材料的比容量达到130 mAh g-1,颗粒尺寸均一、压实密度高。采用锰酸锂作为正极材料,组装了 4Ah大容量电池,电池的能量密度达40 Wh kg-1高于铅酸电池的能量密度(30 Wh kg-1)。并且在100%深度充放电循环1500次后容量保留率为75%循环寿命优于铅酸电池(300次左右)。该电池成本在1.0元左右,较高的能量密度和相对低廉的价格,使得该电池基本具备了取代铅酸电池并商业化应用的可能。