随着化石能源的急剧消耗,环境污染及能源危机问题日益严峻,因此,具有无污染、可再生等优势的清洁能源开始受到人们重视。然而,清洁能源（例如:太阳能、风能、地热能等）受到了地理、气候、时间等自然条件的严重影响,具有间歇性、地域性等缺点,难以直接使用。电池系统作为一种重要的能量转化与储存技术,能够将间歇的清洁能源转化为稳定的电能,在能源的转型与发展中占据了举足轻重的地位。因此,开发和优化设计高性能的电极材料成为重要的研究方向。在众多的电极材料中,钒氧化物材料因具有多样的结构和丰富的物理化学性质,在各类离子电池中都得到了应用,然而,该类材料的结构稳定性较差、离子扩散效率低、电子电导率不高,致使其电化学性能较差,限制了其进一步的发展。研究发现,合理的微纳结构设计是改性钒氧化物电极材料的有效策略之一,不仅能够实现离子的快速扩散,而且能够提升材料的结构稳定性;对材料进行预嵌入离子或掺杂改性,调控钒氧化物的晶体结构,能够大幅度提升其离子扩散率和电子导电率。本论文紧紧围绕这三个策略,对钒氧化物电极材料进行了优化和改性。论文具体的研究内容主要包括以下几部分:（1）为了提升Zn2+离子的扩散效率及电极材料的循环稳定性,以微纳复合结构的设计为指导,通过微波辅助水热法设计合成了一种由钒酸铵(NH4V4O10,简称NVO)纳米带自组装而成的三维花状结构（3D-NVO）。其中,纳米带结构能够有效缩短Zn2+离子的扩散距离,提升离子扩散效率;花状结构能够有效提升电极材料在充放电过程中结构稳定性。进一步分析发现,嵌入到VO层之间的NH4+离子能够起到“支柱”的作用,不仅能扩大层间距,促进Zn2+离子的扩散,而且能够稳定层状结构,提升循环稳定性。基于此,3D-NVO材料在锌离子电池（ZIBs）中展现出了优异的电化学性能:高比容量,在0.1 A/g的电流密度下,展现出了485 m Ah/g的高可逆比容量;良好的倍率性能,在10 A/g的倍率下,实现了142 m Ah/g的比容量;稳定的循环性能,在10 A/g能够稳定循环超过3000圈,且容量几乎未出现衰减。（2）针对水合五氧化二钒（V2O5·n H2O,简称HVO）材料结构稳定性差和Zn2+离子扩散动力学缓慢的问题,本文采用微波辅助水热技术,一步合成了预嵌入K+离子的水合五氧化二钒(K0.52V2O5·0.29H2O,简称KHVO),K+离子和水分子共同存在于VO层间。两者皆可起到“支柱”的作用,一方面扩大层间距,提升Zn2+的扩散效率,实现快速Zn2+离子扩散动力学,另一方面也可以稳定层状结构,提升结构稳定性。此外,层间的水分子也能够起到“润滑剂”的作用,进一步促进Zn2+离子的扩散。基于此,该材料在准固态ZIBs中展现出了良好的电化学性能:在100 m A/g下,实现了～300m Ah/g的高可逆比容量;在2和5 A/g下,分别实现了110和65 m Ah/g的比容量,展现出了良好的倍率性能;在2 A/g下,能够稳定循环超过1500圈,展现出了优异的循环稳定性。（3）为了解决VO2（B）材料电子电导率低及K+离子和Zn2+离子扩散动力学缓慢的问题,本文中采用微波辅助水热技术,不仅对样品的微观形貌进行了设计,合成了一种表面长有纳米带突触的VO2（B）微球;而且对材料进行了钾掺杂改性。研究结果表明,微纳复合结构对于提升材料的离子扩散动力学及其结构稳定性都起到了积极的作用;钾掺杂改性能够明显提升电极材料的电荷交换速率,进而提升电极材料的电化学性能。基于此,在钾离子电池（KIBs）中,K+离子在该材料中实现了较快的扩散速率(3.9×10-12 cm~2/s),较大的比容量（～420 m Ah/g）和良好的倍率性能（在2 A/g下,容量达到151 m Ah/g）。在ZIBs中,该材料在较低的电流条件下（500 m A/g）实现了395m Ah/g的高储锌容量,同时,在超高电流密度下（50 A/g）依然具有122 m Ah/g的可逆容量。