水系锂离子电池具有安全性能高、价格低廉、环境污染小等优点,具有成为下一代电存储设备的潜力。然而,制约水系锂离子电池发展的瓶颈问题是其循环寿命比常规的有机系锂离子电池短。因此,水系锂离子电池的研究是目前电化学储能领域研究的热点之一,而如何提高电极材料在水溶液中的循环稳定性进而提高电池的循环寿命是其研究的重点。　　纳米材料具有比表面积大、锂离子嵌入/脱出深度小、离子扩散路径短等特点,将水系锂离子电池的电极活性物质纳米化,可能具有极化程度小、可逆容量高、循环寿命长、功率高等优点。而对于某些充放电过程中体积变化较大的电极材料,将其纳米化后,可以减少体积变化,使其具有较好的塑性和蠕变性,这样就可以大大减轻电极的粉化程度,有望明显改善其循环性能。另外,纳米材料的高空隙率为电解液分子的迁移和锂离子的嵌入/脱出提供了大量的通道,有望进一步提高嵌锂容量及能量密度。　　在广泛调研水系锂离子电池研究进展的基础上,发现影响电池性能的因素很多,但决定性因素是如何选择能在高电位下稳定的正极材料,如正极集流体和正极活性材料。因此,本文第一部分将各种常用的正极集流体材料在水系中的电化学性能作为研究重点,目的在于优化出合适的正极集流体;第二和第三部分主要考察正极活性材料(以常用的正极材料锰酸锂为例)在水系中的电化学性能以及对电池性能的影响。其中第二部分主要是制备不同形貌的锰酸锂,并考察锰酸锂的形貌对电池性能的影响,第三部分主要是制备不同结构的锰酸锂,考察锰酸锂经过掺杂和包覆修饰后对电池性能的影响。以上所有的研究都以成熟的活性炭(AC)为电池负极材料,0.5 mol/L Li2SO4水溶液作为电解液。　　具体研究内容如下:　　1.通过多种电化学方法考察了镍、碳布、不锈钢等常用的正极集流体在电解液中的电化学行为,结果表明碳布的稳定性最好,预示着碳布可能是最优的正极集流体。将锰酸锂分别负载于镍、碳布和不锈钢上,以活性炭作为负极材料,组装成AC/LiMn2O4水系锂离子电池,通过一系列电池性能测试分析得知,碳布作为正极集流体时,100次循环后,该体系几乎没有容量损失,而镍、不锈钢作为正极集流体时,其容量损失率分别为37％、8%。对电池循环运行前后的锰酸锂正极材料进行扫描电镜表征后发现其基本形貌没有发生变化,表明同等条件下,集流体是影响电池性能的一个关键因素。　　2.为了考察不同形貌的锰酸锂对电池性能的影响,采用固相法、水热法和溶胶-凝胶法制备了几种不同形貌的锰酸锂,通过X射线粉末衍射(XRD)得知这些材料都具有尖晶石结构,扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)的表征结果显示其颗粒大小分别为500 nm(a-LMO)、400 nm(b-LMO)及200 nm(c-LMO)。对上述材料分别采用多种电化学方法研究,发现纳米颗粒较小的锰酸锂(c-LMO)能够承受较大电流的充放电,且性能最好。这是由于c-LMO颗粒较小,缩短了锂离子在固体活性物质内部的扩散距离,使其具有较好的Li+嵌脱可逆性,从而提高了锰酸锂的电化学性能。将a-LMO、b-LMO及c-LMO分别与AC组装成AC/LMO水系锂离子电池,研究其电池性能。结果表明,在1000 mA/g电流密度下,AC/c-LMO体系首次放电比容量达到110 mAh/g,400圈循环后,容量保持率大于90%。而AC/a-LMO、AC/b-LMO体系的初始放电容量为106 mAh/g、102 mAh/g,400次循环后的容量保持率分别为80%、86%。同时,AC/c-LMO体系还具有较好的倍率性能和较快的充电速率。　　3.为了考察锰酸锂的结构对电池性能的影响,采用溶胶-凝胶法制备钴掺杂的尖晶石锰酸锂材料、Co3O4包覆的商业化锰酸锂(尖晶石结构,颗粒大小为500 nm)与同法制备的纯相锰酸锂进行比较。采用高分辨透射电镜对其进行表征,结果显示Co掺杂的LiMn2O4结构没有发生明显变化,样品颗粒尺寸均匀。交流阻抗和恒电流充放电测试得知Co掺杂的锰酸锂,其电化学性能明显提高。因为Co掺杂使得样品的晶胞参数变小,晶胞体积也随之变小,其循环性能大大提高。将上述锰酸锂分别与AC组装成AC/LiMn2O4水系锂离子电池,研究其电池性能。结果表明,在1000 mA/g电流密度下,钴掺杂锰酸锂组装的电池的循环寿命比纯相锰酸锂长。