随着全球工业化进程的加快，环境恶化和化石燃料储量减少等问题，人们对清洁可再生能源的需求日益迫切。面对这种困境，利用如太阳能、风能、生物质能、潮汐能和地热能等新能源形式是有效的途径。但是这些新能源形式很难直接储存和运输，高度的间歇性更制约了其进一步发展。能源储存系统(ESSs)的发展为个人、家庭和工业应用提供更稳定的能源供应，为此人们已进行了广泛的研究。在目前所有的能源储存系统中，电池扮演着重要的角色，已经成为便携式电子产品、电动汽车甚至是电网不可缺少的一部分。其中，锂离子电池(LIBs)由于具有较高的能量密度被广泛应用。但由于有限的锂资源、组装条件要求苛刻，使得商用锂离子电池成本进一步上升。


此外，易燃有毒的有机电解液和高活性锂也极大地阻碍了锂离子电池的进一步应用。锌离子电池(ZIBs)成本较低、安全性较高、体积能量密度较高，因此在电化学储能领域引起了广泛的研究。尽管由于多价离子的转移，水系锌离子电池可以实现更高的氧化还原比容量和能量密度，锌离子电池电极材料也存在很多问题，其中包括金属负极不可逆枝晶和正极材料电化学性能差等。金属负极在剥离和镀覆过程中会发生电场集中和氧化，从而制约全电池的电化学性能。使用具有大层间距的锰基、钒基过渡金属氧化物作为水系锌离子电池正极材料是非常常见的。通过在合成过程中的离子预插来实现对材料的活化，打破了固有晶体结构的限制，从而获得兼具高容量与高倍率的电极材料。


电解液中离子种类对于电池电极的性能有重大影响，预插离子钒基化合物的种类与电解液之间的关系还尚未有人探究。传统的过渡金属氧化物一直受到电子/离子电导率差的制约，难以满足实际应用。传统的涂布方法也不可避免的增加了活性物质和集流体之间的内阻，因此，电沉积法构建集成一体化电极是提升电极的接触面积和材料利用率的有效方法。通过使用这些方法，能够有效的提高水系锌离子电池电极的性能，实现水系锌离子电池的各项性能。


本篇论文围绕以下几个方面展开:


1.层片状锌铝共晶合金作为水系锌离子电池可逆无枝晶负极金属锌负极具有理论容量高、成本低的优点，是一种极具吸引力的水性锌离子电池负极材料。然而，现有的锌负极在剥离/电镀过程中存在库仑效率低、枝晶生长严重等问题，阻碍了其实际应用。通过使用锌和铝纳米片层交替排列的Zn_(88)Al_(12)共晶合金能够有效解决锌金属负极在剥离/电镀过程中枝晶和裂纹生长引起的不可逆性问题。共生的金属铝片层不仅能够保护锌片层抑制其形成不可逆的副产物，而且在锌剥离过程中原位形成稳定的Al/Al_2O_3核壳结构，进而引导锌的后续生长。共晶Zn_(88)Al_(12)(at%)合金在不含氧气的Zn SO_4水溶液中具有优异的脱锌/镀锌性能，具有较低的过电位和较高的库伦效率。将K_xMn O_2正极和共晶层状Zn_(88)Al_(12)合金负极组装，构筑的水性锌锰氧化物水系锌离子全电池可以实现在高功率下提供230 Wh kg~(-1)(基于K_xMn O_2正极的质量)的能量密度，在超过200小时循环后仍然保持100%的容量。如果调整正负极质量比为3:1，全电池的总能量密度则会高达142 Wh kg~(-1)。共晶成分合金化策略为开发下一代二次电池的高性能负极提供了一条新的途径。


2.基于高阳离子相容钒氧化物微电极的超高能量密度大功率水系锌离子可充电微电池水溶液锌离子电池作为锂离子电池的替代品，具有广阔的发展前景。微机电系统可以应用于小型电子产品中，引起了人们广泛的关注。然而，传统的水溶液锌离子电池使用过量的锌作为负极，极易发生枝晶和氧化，导致电池失效。预插层氧化钒除了具有高理论容量的优点外，还具有高导电性和离子导电性，提供更多的离子扩散途径和活性位点。我们开发了基于具有交叉指状的纳米多孔金微电极和双极性活性材料Zn_xV_2O_5的高性能水系锌离子微电池。利用预插层水合Zn~(2+)作为分子柱支撑大间距的V_2O_5层间距，组分Zn_xV_2O_5与水合Zn~(2+)客体具有很高的相容性，这大大提高了它们的插层/脱层动力学。与双电子氧化还原反应相结合，使水系锌离子微电池具有很高的容量和效率。纳米多孔电极结构能够实现快速电子转移和离子传输，因此，Zn_xV_2O_5在1M Zn SO_4电解液中的比容量高达527 m Ah g~(-1)(约为最大理论值的90%)。基于电活性材料Zn_xV_2O_5的充分利用，交叉指状纳米多孔Zn_xV_2O_5/Au交叉指状微电极构成的水性可充电锌离子微电池在高功率传输时表现出358 m Wh cm~(-3)的能量密度(该值与Sony CR1620相当，是Li薄膜电池能量密度的40倍以上)。


3.晶型调控的Zn_xV_2O_5自支撑电极用于柔性水系锌离子电池的正极材料传统的过渡金属氧化物能够提高更多的容量同时获得稳定的Zn离子扩散通道。锰基、钒基材料做为水系锌离子电池的正极材料一直受到低电导率和低离子电导率的限制，在实际应用中这些材料远达不到应用要求。为此，我们设计了一种通过油浴搅拌法制备的自支撑CFP/Zn_xV_2O_5柔性电极，用于水系锌离子电池正极。我们针对过渡金属氧化物具有有限的电导率和离子电导率的问题。在制备过程中，结合离子预插法将水分子和Zn~(2+)进入层状氧化钒结构之中，有效增强离子的输运能力。除此之外，我们还结合热处理晶型调控策略，保证活性材料具有部分周期晶格用于能量存储，另一部分非晶结构用于离子输运。构筑的水系锌离子电池在50 mAg~(-1)电流密度下具有365mAh g~(-1)的比容量，在5 Ag~(-1)的电流密度下，循环1000圈，容量保持率为80.5%。优秀的电化学性能使自支撑CFP/Zn_xV_2O_5柔性电极作为新型水系锌离子电池正极具有广阔的前景。