目前,由于便携式电子设备和电动汽车等应用技术的蓬勃发展,具有高比能量和低成本的电池体系逐渐成为研究的热点。而金属钠、锌负极的能量密度分别高达1160 m Ah g^-1和820 m Ah g^-1,同时这两种元素在地壳中储量丰富,成本较低,因此以金属钠、锌为负极材料的金属基电池引起了广泛的关注。虽然以金属钠、锌为代表的金属基电池在能量密度等方面具有突出优势,但是在与负极相匹配的高比能量正极材料的设计和开发等方面仍存在许多问题亟待解决。由于过渡金属氧化物材料具有丰富的元素价态组成和独特的价电子层结构,电化学反应活性较高且环境友好,在金属基电池正极材料中具有较强的应用潜力。因此,本课题针对镍、钴、锰类过渡金属氧化物材料进行结构设计与改性调控,从而提高电极材料的结构稳定性和电化学反应活性。利用设计合成的电极材料组装了不同类型的高比能量金属基电池,包括钠-空气电池、锌-空气混合电池和锌离子电池,并对其进行电化学性能表征,均展现出优异的电化学活性和循环稳定性,论文的主要研究内容和成果如下:（1）自支撑结构C@Ni Co₂O₄-NAs材料及其在金属钠-空气电池中的电化学性能研究:利用水热法在炭纸基底原位生长具有自支撑结构的纳米针状Ni Co₂O₄阵列（C@Ni Co₂O₄ nanoneedle arrays）,为尖晶石型结构,结晶性能良好,活性材料均匀包覆在炭纸基底表面,形成独特的海胆状结构。这一自支撑材料具有优异的电子传导性能,直接用作空气电极时可排除粘结剂和添加剂等对电催化效果的干扰,同时提供充足的放电产物沉积位点。利用该材料组装钠-空气电池,在50 m A g^-1的电流密度下,充放电过电势仅为0.6 V,且初始放电比容量可达6500m Ah g^-1。在100 m A g^-1的电流密度条件下,限制充放电容量为800 m Ah g^-1,全电池的可逆充放电循环可达120圈。（2）分级结构h-Co₃O₄@MnCo₂O_4.5 Ns材料及其在金属钠-空气电池中的电化学性能研究:利用模板辅助法合成具有分级结构的核-壳Co₃O₄@MnCo₂O_4.5材料(hierarchical Co₃O₄@MnCo₂O_4.5nanocubes),这一材料的比表面积可达130.4 m²g^-1,内外层不同金属氧化物之间具有良好的电催化协同作用,且丰富的介孔和大孔孔道结构有助于实现快速的离子和电子传输,可以有效改善空气电极的ORR和OER催化活性。将这一材料应用于钠-空气电池,具有优异的倍率性能和循环稳定性:在50 m A g^-1的电流密度下充放电过电势仅为0.45 V,且首次放电比容量可达8400 m Ah g^-1。在100 m A g^-1的电流密度下,限制充放电容量为1000 m Ah g^-1,可逆充放电循环可达135圈。同时,通过FTIR和XPS表征确认了正极放电产物为Na₂O₂材和Na_2-xO₂。（3）纳米立方形貌Co₃O₄ Ns材料及其在金属锌-空气混合电池中的电化学性能研究:利用MOF前驱体合成具有良好分散性能的纳米立方形貌Co₃O₄材料（Co₃O₄nano-cubes）,随后利用Co₃O₄ Ns正极和金属锌负极组装混合锌-空气电池,兼具锌-空气电池高比能量和锌离子电池高工作电压等优点,其中锌离子电池放电阶段工作电压可达1.85 V;在100μA cm^-2的电流密度下,全电池的初始放电比容量可达13.8 m Ah cm^-2。限制充放电容量为300μAh cm^-2时,可逆循环可达1000小时以上,具有优异的长循环稳定性和较高的倍率性能。进而在PAM胶体电解质体系中组装柔性锌-空气混合电池,具有良好的柔韧性和环境适应性,在接触空气或隔绝空气条件下均能平稳工作。（4）分级结构α-MnO₂/CNT HMs材料及其在金属锌离子电池中的电化学性能研究:利用液相反应法结和喷雾造粒工艺制备具有分级结构的微米球形α-MnO₂/CNTs复合材料（α-MnO₂/CNT hierarchically assembled microspheres）,纳米α-MnO₂与CNTs交联形成独特的三维导电网络结构,同时喷雾造粒改性有效提高了材料的堆积密度,改善倍率性能和电化学稳定性。将该材料应用于金属锌离子电池正极,初始放电比容量可达296 m Ah g^-1,具有优异的倍率性能。在0.2 A g^–1电流密度下的面比能量可达0.98 Wh cm^–2,在3 A g^-1的大电流密度下,比容量仍可保持在80 m Ah g^-1,可逆循环可达10000圈,容量保持率为96%。同时,对其充放电机理进行探究,确认正极放电产物为Zn Mn₂O₄和MnOOH。