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随着社会对绿色能源的需求,锂离子电池逐渐成为移动电子设备和电动汽车的主流电源。经过多年的发展,锂离子电池的能量密度逐渐接近嵌入式化学的理论极限,其容量和能量密度很难再获得大的提升。而金属二次电池可以把金属负极和正极材料结合起来,得益于金属负极的高容量和低电位,可以进一步提高电池的能量密度。而在所有的金属负极中,镁金属具有高容量（特别是体积容量为3833 mA h/cm3,对比锂金属的2046 mA h/cm3）,低还原电位（-2.4 V vs.SHE）的优点。更重要的是,镁金属负极可以实现库伦效率100%的沉积和溶解,且没有枝晶产生,安全性能很高。但是由于镁离子带有两个单位的正电荷,与正极材料有强烈的相互作用,导致扩散缓慢,动力学性能差。因此很多镁电池正极材料的过电位比较大,镁离子的嵌入程度低。找到具有快速动力学、高能量密度的正极材料成为镁电池发展的主要挑战,这也成为本论文研究的重点:（1）氧化物是锂离子电池中常用的正极材料,但是由于氧的电负性比较强,与镁离子的相互作用力大,导致氧化物在镁电池中的动力学性能很差。因此采用离子半径比较大,电负性比较弱的阴离子,例如硫和硒。既可以降低相互作用,又可以增大镁离子的扩散通道,从而提高正极材料的动力学性能。层状NbSe3作为锂离子电池的正极材料,具有优异的动力学性能,这启发我们将其应用到镁电池中。我们利用固相反应合成了层状的NbSe3,将其作为镁离子电池的正极材料,并测试其电化学性能。在室温下NbSe3可以取得很高的镁化程度,较快的动力学,且循环性能稳定,库伦效率高。NbSe3层间弱的相互作用力有助于镁离子在其中的扩散,且Nb的金属性和Se的电负性都比较弱,有利于镁离子在扩散过程中电荷的重新分布,这些都提高了镁离子扩散的动力学。但是NbSe3的能量密度比较低（85 Wh/kg vs.Mo6S8:140 Wh/kg）,这限制了其在镁电池中的实际应用。（2）为了提高正极材料的能量密度,我们采用容量和电位更高的NbS3作为镁电池的正极。然而,受限于缓慢的动力学,NbS3几乎没有活性,因此我们进一步研究正极材料的阴离子对于镁离子扩散动力学的影响。我们第一次将理论计算和电化学实验结合起来,以层状硫族化物MX2（M=Ti,V;X=O,S,Se）为例,系统性地研究了正极材料的阴离子如何影响镁离子扩散的动力学。硒化物能够取得很高的电化学活性,且能在40个循环之后,具有较高的容量保持率。相比而言,硫化物几乎没有任何活性,经过20个循环之后,容量可以忽略不计。另外,我们通过GITT和EIS计算了镁离子的扩散系数,硒化物比硫化物大约高三个数量级。我们还通过理论计算得出镁离子在氧化物,硫化物,和硒化物中的扩散能垒,呈逐渐下降的趋势。这主要是因为阴离子在电负性（O>S>Se）和离子半径(O2-<S2-<Se2-)上的差异。同时我们提出了三条标准来解释镁离子在硒化物中具有更好动力学的原因:更大的层间距带来更大的扩散通道,镁离子和Se阴离子的相互作用比较弱,以及硒化物具有更好的电子导电性。同时我们通过大量的讨论指出,这三条标准不仅适用于层状化合物,还适用于Chevrel相,尖晶石结构和橄榄石结构的化合物。本文中所采用的方法和讨论有利于以后对类似主题的研究,并且为以后设计和修饰镁电池的正极材料提供了参考和方向。（3）为了进一步提高镁电池的能量密度和动力学性能,我们进一步研究了理论容量更高的CuS（560 mA h/g）。作为正极材料时,CuS在室温下能够取得430mA h/g的首圈放电容量。当电压范围在0.5-2.2 V时,可以取得400 mA h/g的可逆容量,对应的能量密度为598 Wh/kg和948 Wh/L,这在已经报导的所有镁电池的正极材料中是最高的。除此之外,我们还通过非原位的XRD证明,CuS和镁的反应属于取代反应,导致快速的动力学和优异的循环稳定性。并且通过恒电流间歇滴定法测得镁离子的扩散系数为1.97×10-14 cm2/s,高于LiFePO4中锂离子的扩散系数。鉴于CuS的高能量密度和快速的动力学性能,它有望成为一种很有前途的镁电池正极材料。（4）尽管硫化铜正极取得了高能量密度,但其动力学性能仍然无法满足实际应用的需要。而有机物分子与嵌入离子的相互作用力比较弱,优异的动力学性能已经在锂离子电池中被证实。HATN是一种基于碳氮双键氧化还原的有机物,具有较高的理论容量。我们通过HATN苯环之间的碳碳单键相连,设计了有机聚合物poly-hexaazatrinaphthalene（PHATN）,既利用HATN好的电化学性能,又通过聚合降低了溶解度,提高了导电性。在钠离子电池中,PHATN能够取得很高的容量和优异的动力学性能。在5 C甚至25 C的电流密度下,仍然可以取得较高的容量。这启发我们将其应用在镁电池中。在20 mA/g的电流密度下,PHATN可以取得219 Wh/kg的能量密度。当电流密度分别增大到20、50、100、和200 mA/g时,对应的容量分别为125、100、80、65 mAh/g,表现出了优异的倍率性能。因此,PHATN有很大的潜力作为一种环境友好,快速,稳定的有机镁电池正极材料。