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近年来，水系金属离子电池由于其高安全性、低成本和环境友好性受到广泛关注。但是，电池循环性能差、电压和能量密度低等问题限制了水系金属离子电池的实际应用。电池性能主要受正负极材料性能的影响，而现有电极材料不能满足应用需求，因此，探索和合成新型的电极材料是提升水系金属离子电池性能并推动其广泛应用的关键和难点。
本论文设计并合成了新型电极材料，对材料的物化性质、电化学性能以及充放电机理进行了系统的研究，为水系金属离子电池的发展提供了新的电极材料选择。LiTi2(PO4)3是最常用的水系锂离子电池负极材料之一，但是其仍存在电导率低和比容量小等不足。以LiTi2(PO4)3为基础，本论文设计并合成了一种核-复合壳结构的电极材料CuxTi2(PO4)3@Cu/C（CTP@Cu/C）。C/Cu复合外壳能够提供高电子电导；CuxTi2(PO4)3（CTP）内核具有快速的离子传输能力，并能实现更多的锂离子脱嵌；CuxTi2(PO4)3较窄的带隙使其具有较高的本征电子电导率。因此，CuxTi2(PO4)3@Cu/C具有较高的比容量（135mAh g-1@10mA g-1，是目前LiTi2(PO4)3类负极材料所报道的最大值），优异的倍率性能（95mAh g-1@2000mA g-1）和良好的循环稳定性（在电流密度为1000mA g-1时，经过900次循环后，容量保持率为80%）。该工作不仅为水系锂离子电池提供了一种新的负极材料，而且为其它碱金属离子电池电极材料的制备提供了一种新的材料结构设计策略和简便的核-复合壳合成方法。
水系锌离子电池正极材料六氰合铁酸盐因其低成本、高安全性、高性能和高丰度而成为具有应用前景的正极材料。然而，六氰合铁酸盐正极材料的低导电性和低比容量限制了其发展。本文通过晶体结构工程和形貌工程协同作用，合理设计合成了具有双导电碳骨架（DCCF）的高性能普鲁士蓝化合物正极材料K1.14(VO)3.33[Fe(CN)6]2（KVHCF）。KVHCF@DCCF同时具有多电子反应和高电子传输能力，从而表现出高比容量（180m A h g-1@400mA g-1）和高倍率性能（116mAh g-1@8000mA g-1）。即使在0℃低温下，KVHCF@DCCF仍表现出132mAh g-1@400mA g-1高比容量。在-10℃下，在电流密度为400mA g-1时，经过700次循环后，它可以保持86%的高容量。这项工作为大规模储能用水系锌离子电池提供了一种性能优异的正极材料和有效的材料设计策略。
本论文设计并合成了新型电极材料，对材料的物化性质、电化学性能以及充放电机理进行了系统的研究，为水系金属离子电池的发展提供了新的电极材料选择。LiTi2(PO4)3是最常用的水系锂离子电池负极材料之一，但是其仍存在电导率低和比容量小等不足。以LiTi2(PO4)3为基础，本论文设计并合成了一种核-复合壳结构的电极材料CuxTi2(PO4)3@Cu/C（CTP@Cu/C）。C/Cu复合外壳能够提供高电子电导；CuxTi2(PO4)3（CTP）内核具有快速的离子传输能力，并能实现更多的锂离子脱嵌；CuxTi2(PO4)3较窄的带隙使其具有较高的本征电子电导率。因此，CuxTi2(PO4)3@Cu/C具有较高的比容量（135mAh g-1@10mA g-1，是目前LiTi2(PO4)3类负极材料所报道的最大值），优异的倍率性能（95mAh g-1@2000mA g-1）和良好的循环稳定性（在电流密度为1000mA g-1时，经过900次循环后，容量保持率为80%）。该工作不仅为水系锂离子电池提供了一种新的负极材料，而且为其它碱金属离子电池电极材料的制备提供了一种新的材料结构设计策略和简便的核-复合壳合成方法。
水系锌离子电池正极材料六氰合铁酸盐因其低成本、高安全性、高性能和高丰度而成为具有应用前景的正极材料。然而，六氰合铁酸盐正极材料的低导电性和低比容量限制了其发展。本文通过晶体结构工程和形貌工程协同作用，合理设计合成了具有双导电碳骨架（DCCF）的高性能普鲁士蓝化合物正极材料K1.14(VO)3.33[Fe(CN)6]2（KVHCF）。KVHCF@DCCF同时具有多电子反应和高电子传输能力，从而表现出高比容量（180m A h g-1@400mA g-1）和高倍率性能（116mAh g-1@8000mA g-1）。即使在0℃低温下，KVHCF@DCCF仍表现出132mAh g-1@400mA g-1高比容量。在-10℃下，在电流密度为400mA g-1时，经过700次循环后，它可以保持86%的高容量。这项工作为大规模储能用水系锌离子电池提供了一种性能优异的正极材料和有效的材料设计策略。