太阳能、风能发电容易受到环境的间歇性、随机性变化影响,需要储能技术实现能量的集中存储与释放,并减少入网时带来的电力波动。在各种储能技术中,电化学储能技术因为响应时间短、能量转换效率高、功率密度高等优点而受到广泛关注。然而,现有的锂离子电池、铅酸电池、液流电池等电化学储能技术仍然无法兼顾循环寿命、安全性、成本等关键指标,难以完全满足储能应用需求。因此,新型储能电池的研发对于可再生能源产业的发展至关重要。为解决上述问题,一种新型水-有机自分层电池技术被提出。该电池具有与主流电池结构迥异的水-有机自分层架构,含有互不相溶的有机正极液和水相电解液,并能在重力作用下自动分层。该电池制造成本极低,且循环稳定性和安全性俱佳,在大规模储能领域具有应用潜力。但作为一种全新的电池体系,其配方和架构的设计原则、性能的优化方法、反应机理等方面仍存在诸多问题。围绕这些问题,本论文进行了系统性研究,提出了两种新型低成本的水-有机自分层电池设计方案,并就其失效机制进行了分析。具体研究结果如下:1.设计了一种新型水-有机锌碘自分层电池,提出了该电池的阳离子穿梭机制,采用Li+作为穿梭离子有着更好的电池性能。我们通过Zn SO4盐析作用实现电池中水相和有机相分层架构的建立,该架构达到明显的分层效果。通过在电池中加入Li2SO4或Na2SO4提高了有机相的离子电导率,同时降低了正极的氧化还原过电位与电荷转移阻抗,提升了电池的循环稳定性和倍率性能,且Li+的优化效果强于Na+。通过离子浓度分析和分子动力学模拟厘清了锌碘自分层电池的充放电反应过程,并提出了阳离子穿梭机制,即电池在充放电过程中主要由金属阳离子在液-液界面穿梭维持两相电荷的平衡,其穿梭能力影响了电极反应动力学快慢。在锌碘自分层电池中,Li+的穿梭能力最强,这得益于Li+在两相溶液的溶剂化自由能差值最小。通过电池失效分析,发现提高有机相离子电导率和减少电极活性物质挥发是电池容量保持稳定的关键。2.设计了一种水-有机钠离子自分层电池,提出了将负极材料置于有机相的全新电池架构,扩展了负极材料电位的选择范围。使用电位在-0.42 V（vs.SHE）的磷酸钛钠（NTP）作为储钠负极材料,通过碳包覆法合成NTP@C,增强了NTP的电子电导率和储钠稳定性。采用亚铁氰化钠（Na4Fe（CN）6）正极材料与NTP@C组成钠离子自分层电池。电池正负极氧化还原可逆性良好,但在循环时容量利用率低,衰减快,库伦效率低。通过电池失效分析发现有机相对电极片的溶胀导致了NTP@C与集流体剥离,所以在电极中使用抗溶胀性强的粘结剂是改善电池循环性能的关键。