“碳中和”与“碳达峰”重要战略目标的提出以及新能源汽车等新兴产业的快速发展,迫切需要开发高能量密度、长循环寿命、高安全性的电化学储能器件。以石墨为负极的传统锂离子电池性能已趋上限,难以满足高能量密度需求,有机电解液易燃易分解以及锂枝晶生长等问题导致安全隐患严峻。因此,开发兼具优异储锂容量与高安全性的电极材料迫在眉睫。另一方面,锌空电池具有高能量密度（1086 Wh kg-1）、本质安全性与环境友好性等多重优势,然而氧还原（ORR）与氧析出（OER）反应动力学迟滞,导致电池极化较大、功率密度低、倍率性能差,Zn枝晶生长威胁电池循环稳定性与服役寿命。基于电极/催化剂微纳结构设计,优化其化学组成、原子配位、电子结构,可实现优异结构稳定性,同时改善其电化学活性及双功能催化活性,提升电化学反应动力学。二维过渡金属碳/氮化物（MXene）具备类金属导电性、独特的层片结构、丰富的表面氧化还原位点以及优良的亲水性与机械柔性等诸多优势,在电化学储能领域具有广阔应用前景。本文立足于MXene基复合材料的本征结构特性,耦合分级结构设计、界面优化、缺陷态调控等策略,深入探究其在高性能锂离子电池负极与锌空电池正极催化剂/复合负极方面的潜在应用与电化学机理。主要研究内容如下。1.利用阳离子型活性剂分子诱导四乙氧基硅烷水解,结合低温镁热还原方法在Ti3C2 MXene表面原位生长Si纳米颗粒,构筑Ti3C2/Si复合材料。纳米级Si颗粒以Si-O-Ti键锚定于MXene表面,有效缩短Li+扩散路径,提供充足的锂合金化反应位点,同时有效抑制MXene纳米片的自堆叠效应,暴露出其电化学活性表面,促进电极与电解液充分浸润,提高活性物质利用率;而Ti3C2 MXene纳米片不仅能够作为导电骨架提高电子/离子传输速率,改善Si的本征绝缘性,而且能够缓解Si在循环过程中的体积膨胀,提高电极结构稳定性;MXene与Si之间的强界面耦合有效促进界面荷质传输,提升电化学反应动力学;同时,MXene纳米片具有丰富的表面氧化还原位点而表现出独特的赝电容特性,尤其在大电流密度下提供较大容量贡献,表现出“电池-电容”双储能模式。基于Ti3C2/Si组装的锂离子电池表现出显著提升的可逆容量、倍率性能与循环稳定性,在100 mAg-1的电流密度下能够提供1475 mAh g-1的可逆容量,在1.0 A-1大电流密度下稳定循环800次后容量保持在973 mAh g-1。2.调控刻蚀剂浓度制备不同空位缺陷浓度的Ti3C2 MXene储锂电极,并系统研究其电化学性能,探究Ti空位（VTi）缺陷与Ti3C2 MXene基电极首次库伦效率及循环稳定性的内在联系。VTi缺陷作为“能量陷阱”对Li+具有不可逆捕获作用,同时诱发电解液分解形成较厚且不均匀的SEI膜,增大荷质传输阻抗,促使锂枝晶生长,导致严重的不可逆锂消耗和循环性能恶化。本文提出在缺陷位点表面原位生长超小Al2O3纳米团簇策略,制备Ti3C2@Al2O3复合材料,实现缺陷位点的精准钝化。覆盖于缺陷位点的Al2O3纳米团簇不仅能够抑制VTi对Li+的陷阱捕获效应,提升Li+扩散传输动力学,而且能够促进更薄、更均匀的SEI膜形成,保护电极不受电解液侵蚀,减少副反应导致的不可逆Li+消耗,同时诱导均匀的锂沉积/剥离,抑制锂枝晶形成。基于Al2O3纳米团簇良好的缺陷钝化效应,基于Ti3C2@Al2O3负极的锂离子电池表现出优异的电化学性能,首次库伦效率达到76.6%,在1.0 A g-1的大电流密度下循环500次后仍能保持285.5 mAh g-1的高可逆容量。3.采用可控原位转化策略制备Ti3C2MXene衍生的Ti3C2@SrTiO3复合材料。MXene部分转化生成的立方相SrTiO3纳米颗粒通过强界面耦合均匀地锚定于高导电性的MXene基体,提供丰富的催化活性位点,同时防止MXene纳米片自堆叠,暴露电化学活性表面,促进快速的电荷转移与离子传输。结构特性分析与DFT理论计算结果显示,MXene原位衍生的SrTiO3具有丰富氧空位,可增强氧中间体在催化剂表面的吸附作用,显著降低ORR/OER反应势垒。在原位转化反应中,Ti3C2的部分Ti原子被提取出后形成大量的富电子Ti空位,促进MXene基体向SrTiO3的界面电荷转移,进一步调控活性位点电子结构,优化氧中间体吸脱附行为,使MXene表现出重要的协同催化作用。另外,MXene与SrTiO3之间的界面键合能够显著提升界面荷质传输动力学与结构稳定性,赋予Ti3C2@SrTiO3催化剂优异的耐久性。得益于Ti/O双空位的高效协同作用,Ti3C2@SrTiO3表现出优异的ORR/OER双功能催化活性。基于Ti3C2@SrTiO3组装的锌空电池开路电压达到1.44 V,功率密度高达122mWcm-2,在10 mAcm-2的电流密度下稳定循环1000次以上。4.耦合电化学沉积、原位生长、聚合物渗透交联策略,制备电极-固态电解质一体化集成的MXene/Zn-LDH-array@PVA复合材料,应用于高性能柔性锌空电池。垂直取向的CoNi-LDH阵列与PVA聚合物链通过氢键充分交联,不仅有效降低PVA聚合物结晶度,促进局域链段摆动,而且能够提供快速的OH-离子扩散传输通道,显著提升离子电导率（55.3 mS cm-1）。LDH纳米片丰富的亲水-OH官能团与层间空间赋予LDH-array@PVA凝胶电解质良好的电解液吸收能力与保水性,显著提升载流子浓度。电极-固态电解质一体化集成设计具有稳定兼容界面,保证循环过程中良好的界面接触,降低界面电阻,促进快速、均匀的界面离子通量,抑制Zn枝晶生长。另外,电化学沉积制备的层状结构MXene/Zn能够进一步促进离子传输与电荷均匀分布,诱导均匀的Zn沉积/剥离过程。得益于优化的离子传输动力学和稳定兼容的电极-固态电解质界面结构,基于MXene/Zn-LDH-array@PVA组装的柔性锌空电池表现出显著提升的循环寿命（50 h以上）和更小的极化电压（0.85 V）,功率密度达到92.3 mW cm-2,即使在弯曲应变条件下也能稳定服役,没有明显的性能衰减,表现出优异的实用性。