锂离子电池由于具有高能量密度和长循环性能等特点,已在便携式设备以及电动汽车等领域得到了广泛应用。然而快速消耗的锂资源和日益增加的生产成本限制了锂离子电池的大规模应用,发展低价储能技术刻不容缓。由于钠和钾与锂具有相近的化学性质并且价格低廉,新型的钠离子和钾离子电池在近些年受到了研究者的关注。但由于钠和钾离子半径相较于锂离子更大,难以嵌入材料的固态晶格中,目前常用于锂离子电池的电极材料无法应用到钠离子或者钾离子电池中,发展高性能的低价储能器件仍面临挑战。为了解决这个问题,本论文以二维氧化钛纳米片为研究对象,通过层间调控策略使二维层内空间完全开放,实现快速的嵌入和储存锂、钠甚至是钾离子。具体研究内容如下:(1)氧化钛纳米片的层间调控通过高温固相反应合成层状前驱体材料,经液相剥离后得到二维纳米片,随后通过阳离子自组装方法加入镁离子使纳米片重新堆叠,实现层间调控。表征显示重堆叠纳米片的层间结构相较于前驱体材料发生显著变化,其无序的堆叠结构弱化了层间的相互作用力,将潜在的提升离子嵌入能力。(2)氧化钛纳米片的电化学性能研究由于层间距的增大和弱化的层间作用力,相邻纳米片的层间二维通道完全开放,从而实现快速嵌入不同尺寸的碱金属离子,包括常规的锂离子和大尺寸钠、钾离子。电化学测试显示出极好的倍率性能和长循环性能,超过目前已报道的其他钛基材料。通过对比具有不同层间结构的前驱体材料,证实层间调控策略对于提升电化学性能的重要作用。并且与普鲁士蓝纳米颗粒材料首次组装钾离子全电池,显示了商业化应用的前景。(3)氧化钛纳米片的储能机制研究结合非原位表征、反应动力学分析和理论计算对层间调控纳米片的储存机制进行深入的探究,结果表明材料在离子嵌入/脱出过程中显示零应变行为,结构和层间距没有明显变化,并且材料具有的独特嵌入型赝电容反应机制提供了不同寻常的快速反应动力学。此外,通过理论计算证实了前驱体材料和氧化钛纳米片由于层间结构不同而造成的离子嵌入行为以及性能差异。