钠离子电池由于资源丰富、成本低廉和环境友好等优势被认为是大规模储能的理想选择。由于层状过渡金属氧化物具有合成方法简单、理论比容量高和组分结构可控等优点,所以以层状过渡金属氧化物作为正极和硬碳作为负极的钠离子电池已经被设计为示范性电池。但是大多数的层状过渡金属氧化物在钠离子脱出与嵌入过程中往往经历不可避免的复杂相变。相变是钠离子电池正极材料不容忽视的过程,它不但可以决定层状氧化物的可逆比容量和库伦效率,而且还影响着钠离子电池的倍率性能和循环寿命。因此,如何改善和优化层状材料中的相变,提高层状材料储钠性能是设计和开发具有高比容量和高稳定性层状氧化物正极材料的关键。为了应对这个严峻的挑战,本文通过一系列改善和优化层状材料中相变的策略来确保层状材料在充放电过程中结构和电化学性能。本文中的主要研究结果和发现归纳如下:1、为了探究氧空位对层状材料结构和储钠性能的影响,我们通过控制热处理气氛选择性地合成了具有类似的形貌、尺寸和相结构,但具有可控氧空位的多元层状材料 Na0.9Ni0.3Co0.15Mn0.05Ti0.5O2 和二元材料 Na0.9Ni0.45Ti0.55O2。各种表征结果表明引入大量的氧空位可以使部分不可逆的O3-P3相变转化成可逆相变,并且可以改善材料的电子和离子导电性,从而大幅度的提高了材料的首圈库伦效率、可逆比容量、倍率性能和循环寿命。在氧空位浓度的影响下,Na0.9Ni0.3Co0.15Mn0.05Ti0.5O2材料首圈库伦效率从65.7%提高到97.3%,可逆比容量从86.9 mAh g-1提高到112.7 mAhg-1,倍率性能和循环稳定性也得到很大的提高。2、为了抑制P2-Na0.6MnO2材料在高电压时P2-OP4相变带来的结构和储钠性能恶化,我们开发一种Ru掺杂的P2-Na0.6Mn0.93Ru0.07O2材料,这种材料具有高的可逆比容量和良好的循环寿命。XRD、SEM、TEM等表征结果表明Ru的掺杂并没有改变材料的形貌和相结构。进一步研究表明与未掺杂的材料相比,Ru的掺杂可以提高材料电子和离子导电性,可以抑制材料的P2-OP4相变从而拓宽了材料的单相固溶区。因此,Ru掺杂不但增加了材料的比容量(209.3 mAhg-1),而且还提高了材料的倍率性能(50C时具有～100 mAh g-1比容量)和循环稳定性。3、为了应对Mn基层状材料在电化学过程中的复杂相变所带来的结构和储钠性能的恶化,我们开发了 一种新型无相变的层状材料Na2.3Cu1.1Mn2O7-δ(NCM),这种层状材料具有独特的层状三斜体相结构和过渡金属富集而无钠的纳米界面结构。将其作为钠离子电池正极材料不但展示出了在充放电过程中无相变和零应力的特征,且在潮湿空气中暴露60天仍保持结构稳定。各种表征手段表明该材料具有一个过渡金属富集而无钠的稳定界面,并且在充电过程中仅有极小的体积应变(～0.36%)。因此,在潮湿空气中老化60天的样品可以展示出优异的循环稳定性(1000圈后具有95.8%的比容量保持率)。更为重要的是,NCM材料还可以展示出高达3.6 V的平均电压和良好的倍率性能(50C倍率时比容量保持率为53.7%),并且也展示了优秀的全电池性能。