锂离子电池已经在便携式电子产品和电动汽车中广泛应用,并且有强烈的趋势向未来的大规模储能等领域发展。然而,锂资源的相对匮乏和分布不均匀是日益突出的问题,因此,越来越多人将目光投向化学性质与锂相似但储量丰富的钠、钾元素。为了发展高性能的钾离子电池,电极材料的开发变得至关重要。层状过渡金属氧化物因其具有高比容量、高能量密度和高离子电导率等优势,在锂离子电池中备受关注。然而,在特定的尺寸的宿主晶格中离子半径较大的钾离子的电子云之间距离较近,具有较大的静电排斥力,使得钾离子难以嵌入层状结构中,相应的电压和比容量都明显下降。因此,对钾离子电池层状正极材料进行合理的结构设计是必要的。本论文主要围绕如何降低K+相互之间的静电排斥力而对层状结构进行设计,包括引入聚阴离子基团和层间支柱材料两部分。此外,我们针对层状材料容易被剥离的特性设计了一系列特殊形貌的样品,也实现了对材料的原位碳包覆和碳纳米管复合。第一章首先介绍了钾离子电池的工作原理和主要特点。其次,对现有典型的钾离子电池正负极材料和电解液的研究进展进行了综述。最后,简单介绍了层状材料在钾离子电池中的发展现状和改性方式。第二章详细介绍了实验中用到的药品、制备方法和表征仪器,以及扣式钾离子电池组装和测试方法。第三章采用水热法在层状的KVO体系正极材料中引入了聚阴离子基团C2O42-和HPO42-,获得了层状金属有机框架化合物K2[(VO)2(HPO4)2(C2O4)]。通过对反应物浓度的控制,我们获得了亚微米级多孔的颗粒,其电化学性能测试表现出81 mAh g-1的可逆比容量和3.6 V的高电压。第四章在第三章的基础上进行改进,通过单一引入稳定性更高的PO43-获得了分子量更小的层状KVOPO4。通过水热条件的调控我们获得了三种不同形貌的产物,并对他们的结构和电化学性能进行分析比较,最终筛选出了综合性能最优的纳米片状KVOP04:材料的平均放电电压高达3.65 V(高于已报道的KVO材料),可逆比容量达到115 mAhg-1,质量能量密度为420Wh kg-1(高于大部分聚阴离子材料)。第五章介绍以层状的VOPO4·2H2O为原料,利用异丁醇嵌入层间将其剥离成纳米片并自组装获得纳米花状形貌,再通过高温煅烧还原获得原位碳包覆的VPO4。这种独特结构的电极材料具有高可逆比容量(400 mAh g-1)、长循环稳定性和高倍率性能。纳米花状形貌可以适应充放电过程中的体积膨胀,而原位碳包覆层提供高电子导电性。此外,我们以VPO4为原料合成了 KVPO4F,探索了碳含量、形貌、烧结时间对F挥发以及电化学性能的影响,并实现与VPO4匹配全电池。第六章我们对层状钛酸盐进行离子交换、苯胺的嵌入和聚合反应等多步处理,获得了聚苯胺支撑的层状钛酸盐。其中的聚苯胺作为支柱成分具有提升材料的层间距、热稳定性和电导率三重功效。嵌入聚苯胺的钛酸盐分别具有257和219 mAh g-1的储钠、钾容量,并且循环2500次后容量无明显衰减。同时,对其充放电的机理研究表明在储钠、钾过程中层状结构的变化高度可逆。第七章主要探索了以对苯二甲酸二甲酯为原料、通过在KOH的醇溶液中缓慢水解制备对苯二甲酸二钾(K2TP)纳米片的合成策略。这种方法实现了 K2TP的纳米化,也能与导电碳纳米管复合。该复合材料具有250 mAh g-1的高比容量,并且在12.5 A g-1的大电流下依然展现优异的倍率性能。第八章对整篇论文进行了总述,指出了这些工作的创新点和不足之处,并规划出下一步工作计划。此外,在附录A中还介绍了高钾含量普鲁士蓝类似物作为钠、钾离子电池正极材料的研究,钾离子电池电解液的探索与优化。