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本文以改善镁离子电池正极材料的结构稳定性和电化学性能为出发点,针对钒氧化物正极材料在循环过程中结构稳定性差以及镁离子扩散动力学缓慢的问题,对部分层状钒氧化物进行了深度的结构优化和储镁性能的探究。通过使用金属离子预嵌入、层间引入水分子的方法稳定层间结构,有效缓解了钒氧化物循环稳定性差、比容量低等瓶颈问题。为了探究和揭示材料储镁性能和晶体结构之间的内在联系,采用了多种先进的测试方法来表征了材料储镁过程中的反应机理和结构变化,这为以后进一步提升镁离子电池正极材料的电化学性能提供了理论指导和研究依据。本文研究了超长H2V3O8纳米线、Li/Na/KV3O8纳米材料、三维柔性Fe5V15O39（OH）9·9H2O/碳布（Fe VO/CC）复合材料、海胆状H11Al2V6O23.2等电极材料的合成、制备、结构表征、储镁性能以及电化学反应原理,并取得了一系列有意义的研究成果:（1）用简单、温和、高效的水热法合成了H2V3O8纳米线,并将其应用在镁基电池中。H2V3O8纳米线作为储镁正极材料时,在50 m A g-1的电流密度下能够展现出2.0 V左右的高工作电压以及304.2 m Ah g-1的高比容量。其能量密度能够达到传统储镁材料Mo6S8的6倍。H2V3O8纳米线在锂镁杂化电池中也展现出了优异的电化学性能,其在25 m A g-1的电流密度下可以拥有305.4 m Ah g-1的高比容量。同时,其组装成的锂镁杂化电池也表现出较好的工作温度适应性,在55°C的高温下和-20°C的低温下依然可以展现出一定的比容量。通过不同的非原位测试发现H2V3O8纳米线的储能机制为单相反应。该工作中的高容量H2V3O8纳米线被证明将是一种有潜力的高性能储镁正极材料。（2）为了探究不同金属离子预嵌入对层状钒氧化物的优化作用,采用了简单高效的水热法合成了不同的金属离子预嵌入的层状钒氧化物Li/Na/KV3O8。通过电化学性能的对比以及DFT的计算,得出随着预嵌入离子半径的增大,对应钒氧化物的储镁容量会逐渐降低,但是其循环稳定性会逐步升高。综合不同维度电化学性能对比的结果,发现钠离子的预嵌入可以在保持钒氧化物结构稳定性的同时,也保持钒氧化物比较高的储镁容量。这是由于镁离子在Na V3O8晶体结构里的迁移过程中,预嵌入的钠离子不仅可以维持镁离子的自由扩散,同时也可以稳定层状结构。钠离子作为层间“支柱”,有效地稳定了材料的结构变化以及缓冲了层间的“呼吸效应”。因此,实验和计算的结果表明将合适的离子预嵌入材料晶体结构中可以提高镁电池正极材料的电化学稳定性和比容量,这种方法为今后镁电池的优化研究提供了新的思路。（3）为了优化具有大层间距的Fe5V15O39（OH）9·9H2O（Fe VO）纳米片的储镁性能,通过绿色、可大批量合成的水浴法合成了一种新型三维柔性Fe VO/CC复合材料。与没有经过复合的Fe VO原样相比,Fe VO/CC复合材料的新型三维阵列结构有效地提升了其储镁性能。在100 m A g-1的低电流密度下,Fe VO/CC复合材料展现出270 m Ah g-1的高比容量。在2000 m A g-1的高电流密度下,其循环5000圈以后依然可以保持60%以上的容量。通过不同的电化学分析和测试表征,提出了离子/电子协同优化机理来解释Fe VO/CC复合材料的优异电化学性能。通过原位XRD和原位Raman深度探究了Fe VO晶体在储镁过程中反应机制为单相反应。镁离子在Fe VO晶体中的扩散过程也被深入研究。另外,成功组装了柔性镁离子软包电池（Fe VO/CC|Mg Na Ti3O7）并点亮LED灯和展示出了一定的电化学性能。该工作对于镁离子电池正极材料的优化和实际应用具有一定的指导意义。（4）通过简单水热法成功制备了层间含水分子的正极材料H11Al2V6O23.2。其形貌为海胆状,中间为实心球体,表面被弯折的纳米线包覆。作为镁离子电池正极材料时,海胆状H11Al2V6O23.2在100 m A g-1电流密度下可以展示出165 m Ah g-1左右的比容量。在1 A g-1的高电流密度下循环3000圈后,依然可以保持87%左右的初始容量。通过测试对比H11Al2V6O23.2和Al V3O9电极材料的反应动力学,得出了H11Al2V6O23.2的离子扩散系数较大,这是由于H11Al2V6O23.2拥有更大的层间距和水分子的电荷屏蔽效应造成的。通过原位XRD、原位Raman、非原位FTIR和XPS等先进表征手段揭示了H11Al2V6O23.2晶体结构在镁离子嵌入脱出过程中的变化情况,发现H11Al2V6O23.2晶体结构表现出较好的稳定性和可逆性。通过高分辨TEM清晰直观的观察到镁离子在H11Al2V6O23.2晶体中嵌入脱出时,材料晶格间距只有微小的变化。在储镁过程中只有微应变现象的海胆状H11Al2V6O23.2具有良好的循环稳定性,是一种有潜力的镁离子电池正极材料。