随着化石能源的不断消耗,利用电化学储能装置实现可再生能源的存储非常重要。水系锌离子电池具有高安全性和经济性的特点,使其在电网或微型电网等固定存储设备以及家用电池等其他不太关心重量比容量的应用上具有广阔的前景。钒氧化物作为一种重要的水系锌离子电池正极材料,具有储量丰富、比容量高等优势。然而,其在循环过程中也存在许多问题,如锌离子与材料主晶格之间具有强烈相互作用,使得电池表现出较差的循环稳定性及倍率性能。水系锌离子电池另外一项优势是能用锌金属直接作为负极,锌金属负极因其具有无毒害、价格低、氧化还原电位低（-0.76 V vs.标准氢电极）和理论比容量高（820 m Ah·g-1）等特点而受到越来越多的关注。但是锌负极在应用上仍存在一些问题,如锌金属在水系电解质中易腐蚀,循环过程中枝晶生长不可控等。这些问题会造成锌离子电池短路、失效或库伦效率下降,进而严重影响了锌离子电池的实际应用。本论文从电池的工作原理出发,对锌离子电池正、负极提出改性方案,旨在开发出具有高性能,低成本的锌离子电池电极材料。1、通过搅拌浸渍法制备了一价阳离子预嵌入氧化钒正极材料,并研究其转化的机理。设计了V2O5前驱体在不同盐溶液中反应的对比试验,通过对反应过程中实验现象及最终产物成分和结构的研究,证明阳离子水合离子半径及水合焓是影响该方法制备阳离子预嵌入氧化钒材料的关键因素。研究表明:该反应是溶解再结晶的过程,且反应速度随着阳离子水合离子半径的增大而减小。同时还研究了不同阳离子预嵌入氧化钒正极材料的储锌性能,结果表明具有最大层间距的NVO样品拥有最优的电化学性能。基于上述研究,提出了模拟海水作为反应溶液制备阳离子预嵌入氧化钒正极材料的方案,利用模拟海水中Na+、K+、Mg2+和Ca2+等阳离子与五氧化二钒反应速度的巨大差异,实现了钠/钾阳离子预嵌入氧化钒材料的制备。本实验提出的模拟海水浸渍法制备阳离子预嵌入氧化钒正极材料的方案具有普适性且成本低,方法简单,为未来低成本锌离子电池的制备提供了启示。2、采用水热法制备了聚吡咯插层氧化钒正极材料。聚吡咯插层氧化钒具有比水合氧化钒更宽的层间间距,有利于锌离子在其晶格内的扩散。此外,聚吡咯还可以改善V2O5的导电性,提高了电化学反应过程中电子转移能力,进而增强电极循环稳定性。由聚吡咯插层氧化钒正极材料组装的锌离子电池在0.2 A·g-1的电流密度下展现出了404 m Ah·g-1的比容量,2000次循环后容量保持率接近98%。电化学及非原位测试手段对聚吡咯插层氧化钒电极的储能机理研究证明了其Zn2+/H+共插层的储能机制。3、利用同步氧化聚合的方法以钒酸盐和苯胺作为前驱体合成了层间距可调的有机-无机（PANI-V2O5,简称PVO）杂化材料。PVO具有独特的花簇状结构,这有利于电解液进入材料内部,可有效缩短离子传输路径。电化学测试和密度泛函理论计算也证实了PVO复合材料拥有更好的电导率及电化学稳定性。结果表明,由PVO-60电极组装的锌离子电池在0.2 A·g-1的电流密度下展现出了391.1 m Ah·g-1的比容量。此外,还对PVO电极在空气中的自充电现象进行了研究,结果表明,O2可以氧化处于还原态的PVO电极材料,从而实现电极电位的上升,这为设计下一代自供电系统提供了一个很有前途的研究方向。4、利用置换反应在锌金属负极表面构筑金属锡与氟化锌的混合界面,该界面可以有效保护锌金属免受水系电解液的腐蚀,同时诱导无枝晶的锌沉积。通过多种表征手段对该人工界面的保护机制进行研究。结果表明,Sn/Zn F2电极中人工界面层的锡具有较强的亲锌特性,可以诱导锌金属均匀沉积,而氟化锌又可以降低表面的导电性,防止尖端放电,抑制析氢反应的发生。将Sn/Zn F2-5与钒酸钾正极组装锌离子电池进行电化学性能测试,1500次循环后可保留213.8 m Ah·g-1的放电比容量,容量保持率为80.9%,明显高于裸锌电极全电池的57.4%。这种混合界面保护层的制备方案能够在诱导锌均匀沉积的同时,抑制了界面副反应,可有效提升锌离子全电池的性能。