随着一次能源的日益枯竭,二次能源的利用与转化已经成为可持续发展战略中最为重要的一环。电化学能源存储设备,诸如二次电池、电容器等,是实现能源有效转化、存储、输送的最直接,最清洁,也是应用最为广泛的载体。然而,现阶段的最主要的电化学储能设备一锂电,却面临着诸如锂资源短缺,锂循环利用率低,有机电解液离子迁移率低、易燃易爆炸等问题。因此,开发并使用水溶液作为电解质以及使用钠离子作为电荷载体的水系二次电池可以用来解决上述诸多问题。水系电解液的离子导电率要高出有机电解液几个数量级,可以有效降低电池的内阻,并且水本身较高的比热容也提高了安全性。而钠元素的资源分布比锂广泛,使用钠离子作为脱嵌离子可以有效降低电池成本。因此,研制出可以稳定且快速脱嵌钠离子的材料才能将水系钠离子电池真正推往实用阶段。水系电池正极材料的选择相比于传统有机电解液电池,受困于水本身的电化学窗口制约,以及很多材料均会溶于水以及与水发生反应,可供选择的材料种类非常有限。普鲁士蓝材料由于其特有的三维空间结构,可以允许离子从a、b、c三个轴的方向进行脱嵌,可以保证电化学反应的快速进行。同时,普鲁士蓝材料作为一种金属有机框架结构,其合成步骤简单、合成速率快、产率高、易控制形貌等优点,已经被诸多研究者关注。但是,高的合成速率也伴随着高缺陷密度的存在,并且普鲁士蓝本身电子导电率并不高,因此在进行大电流密度充放电时,极易发生材料结构的坍塌,导致容量衰减严重。同时,自以往的研究以来,普鲁士蓝材料的合成均以水作为反应环境,因此极易发生六氰合铁根(Fe(CN)6)的缺失,并且空位被水分子所占据的现象,最终导致材料含有大量水占据的空位,使得电化学稳定性大幅下降。本文主要以普鲁士蓝衍生物(NiHCF、CoHCF、CuHCF)为研究对象,探究在合成过程中加入配体对于材料缺陷浓度的改变;同时负载碳材料,讨论低缺陷浓度以及碳材料对于普鲁士蓝材料的电化学性能提升;我们也改变了普鲁士蓝的合成环境,排除合成过程中水分子对于缺陷形成的影响,探究了不同合成环境下产物的形貌变化以及电化学性能影响。具体内容如下:(1)使用乙二胺(en)作为配体降低游离Ni2+离子的浓度并使产物在碳粉表面沉积,成功地合成了低缺陷浓度的碳复合NiHCF纳米复合材料(eNiHCF/C),较低的缺陷浓度与碳材料的存在极大地提升了电荷转移速率和Na+在材料中脱嵌的可逆性。在半电池的测试中,eNiHCF/C表现出了优异的电化学性能,在0.5 Ag-1的电流密度下,恒流充放电循环900次后仍有94%的可逆容量。对于其倍率性能,在2A g-1的电流密度下,相比于0.1 Ag-1电流密度时的容量,其保持率仍有93%。随后使用rGO作为负极与eNiHCF匹配搭建水系储能装置,在2Ag-1的电流密度下,经过5000次循环后可保持94%的初始容量,并且其倍率性能也相当优异,当电流密度为5Ag-1进行测试时,其容量保持率几乎维持在100%。(2)成功制备出了使用碳纳米管串联的截角CoHCF纳米立方体(CoHCF-Cit/CNT),其中柠檬酸盐和甘油的存在大大降低了反应速率并降低了 CoHCF中的结构空位。独特的形貌和低缺陷密度有效地增强了电化学动力学并成功激活了CoHCF中FeⅡ/FeⅢ的氧化还原对,是一种具有高容量以及高倍率性能的水系钠离子电池正极材料。该复合材料在0.1 Ag-1下有着107.2mAh g-1的容量。即使在5.0 A g-1时,仍然有着87.3%的容量保持率。在0.5 A g-1下进行400次循环后,仍然具有78 mAh g-1的容量。CoHCF-Cit/CNT搭配Zn负极构建了水系Na-Zn双离子二次电池。全电池可以提供92.9 mAh g-1的容量,即145.9 Wh kg-1能量密度。并且在7.87 kW kg-1以的功率密度下,能量密度仍有107.11Wh kg-1。易于制备和优异的倍率性能使得CoHCF-Cit/CNT成为水系电池理想的正极材料。(3)使用醇热法,成功制备出了一种低水含量的CuHCF材料(CuHCF-A),使用非水环境大大降低了材料结构中引入水分子的可能性,有效减少了材料在水溶液环境中制备时无可避免的水缺陷;同时材料表面有着较多孔隙,能够增加材料与电解液的接触面积,提高材料的电化学性能,是一种具有高倍率性能的水系钠离子电池正极材料。该复合材料在0.1 A g-1下有着66.1 mAh g-1的容量。即使在5.0Ag-1时,仍然有着71.6%的容量保持率。在0.5 Ag-1下进行1000次循环后,仍然具有41.4 mAhg-1的容量以及74%的容量保持率。CuHCF-A搭配Zn负极构建了水系Na-Zn双离子二次电池。全电池可以提供62.8 mAh g-1的容量,即88.3 Wh kg-1能量密度。同时,我们使用盐桥隔离正负极电解液测试材料的循环性能,600圈的充放电循环后容量保持率仍有71.2%,体现了较高的循环稳定性。