近年来,随着人类活动对自然环境影响的加剧,人类所面临的环境和能源问题也日渐凸显,为了解决这些问题,世界将目光投向了可再生能源。若想使如风电,光伏等可再生能源大规模应用,高效、安全且廉价的储能方式则是必不可缺的。离子电池和电化学电容器作为电化学储能设备的两种主要形式是当下研究的热点。离子电池通过离子在正负极之间的往返嵌入和脱嵌来实现电荷的存储和释放,因此,这一类器件具有高比能量低比功率的特性。电化学电容器是在电极/电解液的表面上通过离子快速的吸附来实现电荷的储存,所以电化学电容器具有低比能量高比功率的特点。受限于储能机理,单一的电化学储能器件难以同时实现高比能量和高比功率。因此,本论文将从电极材料结构设计的角度出发平衡电化学储能器件的比功率和比能量并以此作为主题来进行研究和讨论。全文以典型二维层状钨酸交联聚苯胺(tungstic acid linked pernigraniline缩写为TALP)材料为主要研究对象,从TALP的结构,性能,电荷储存方式,动力学行为和电极制备等方面展开研究;随后将层状V2O5材料作为研究对比对象,采用超重力技术制备和金属元素掺杂这两种优化手段研究其对锂离子电池正极材料V2O5动力学性能的影响。本论文主要的研究内容和进展如下:1、通过简单的沉淀法成功制备了新型二维层状材料TALP,并与聚苯胺(PANI)对比,研究了 TALP材料的结构和电化学性能特征。结果表明,TALP为典型的二维层状结构,层间距为11.8A;与PANI相比,TALP的CV曲线与PANI十分相似,在大电流密度下具有快速充放电的能力,且TALP循环稳定性好,在电流密度为200 mA g-1时,2000次循环后容量保留率为63.3%,远远高于PANI电极。2、对TALP电极材料内部的电化学动力学行为进行了深入的研究。确定了在TALP电极制备过程中存在溶剂交换的现象,并发现经过溶剂交换后,TALP材料二维层间距被扩大;确定了充放电过程中,TALP电极中存在阴阳离子交换的电荷储存方式,并对TALP薄膜电极在不同扫描速率下进行CV测试,经过计算最终确定了 TALP电极的动力学行为分为电容和非电容行为两部分,其中电容行为占据主要部分,且其比重随着扫描速率的增加逐渐增大。3、研究了 TALP电极制备条件(外部因素)中粘结剂和压片压力对于TALP电极电化学动力学性能的影响。结果发现,粘结剂CMC&SBR更易于分散在TALP颗粒间,TALP(CMC&SBR)电极具有更小的电阻和倍率性能;在此基础上,随着压片压力的增加,TALP电极片的密度逐渐增大并在6.0t时趋于稳定,而TALP电极片的倍率性能也有着明显的提高。4、初步研究了基于TALP的非对称锂离子电容器在不同阴离子电解液中的电化学动力学行为。结果表明,基于TALP(C1O4-)的全器件具有快速充放电能力,且循环稳定性好,在电流密度为100 mA g-1时,1000次循环后器件的容量保留率可以达到90.9%,此外,该器件可以输出较高的能量密度和功率密度。5、首次采用超重力技术对原料液进行预处理并制备V2O5样品,考查该技术对于V2O5颗粒生长的影响并对V2O5电极动力学行为进行分析。考查V2O5样品掺杂铁元素和不同浓度铜元素后对样品结构的影响并研究掺杂金属元素后V2O5电极的动力学特征。结果发现,经过超重力技术的干预,所得V2O5样品为纳米片自组装的内部具有孔结构的微米球颗粒,该样品在大电流密度(>5C)下具有快速充放电的能力;经过铁元素和不同浓度铜元素掺杂的V2O5样品颗粒形貌更加均匀,铁元素的掺杂可以显著的提高V2O5电极的循环稳定性,而特定浓度铜元素的掺杂可以在一定程度上提高V2O5电极的容量。本文研究表明,新型二维层状TALP材料不仅具有典型的层状结构,且因其结构特征表现出了优异的动力学行为,尽管通过两种优化手段改进的层状V2O5电极的动力学性能在一定程度上有所提高,但是因其固有性质的限制,V2O5电极的动力学性能依然无法与TALP材料相媲美。因此,从长远角度来看,TALP材料初步实现了从电极材料结构设计的角度平衡电化学储能器件的比功率和比能量的目的。