可再生能源的高效存储与转化是解决能源短缺和环境污染最直接、最有效的途径,而开发先进的储能二次电池技术对于可再生能源的有效利用具有重要意义。锂离子电池作为高效储能器件已广泛应用在便携式电子设备和电动汽车领域,但日益短缺且分布不均匀的锂资源提升了锂离子电池的价格,同时传统的易燃有机电解液导致了电池的安全性问题,限制了锂离子电池在大规模储能领域的进一步发展。可充水系锌电池因其具备锌资源丰富、廉价易得,水系电解液安全性高,环境友好等优势,被认为是大规模储能体系的一个理想选择。正极材料是电池化学的重要功能部分,其理化性质和性能直接影响着电池的能量密度和使用寿命。其中,钒氧化物具有大的层状或隧道结构、多种可变价态、较高储能容量的特点,得到了研究者的青睐。但是钒氧化物作为正极材料仍然存在以下三个科学问题急需解决:（1）Zn²⁺电荷高且原子量大,会导致其迁移动力学缓慢,制约快速充放电能力,且钒氧化物在水系电解液中存在溶解现象,会造成电池寿命的衰减;（2）钒氧化物的层间结构水含量对于Zn²⁺离子反应动力学和正极材料电化学性能的影响规律有待阐明;（3）在水系电解液中,多种阳离子(如Zn²⁺,H⁺)在层状钒氧化物结构中脱嵌存在竞争关系,反应机理仍不明确,需要进一步研究。基于此,本论文设计了一种一体化层状V₅O₁₂·6H₂O正极材料,其大层状结构（¹.18nm）有利于多价态阳离子的可逆脱嵌,通过优化电解液,显著提升了电池循环稳定性;揭示了钒氧化物正极（以V₂O₅·nH2O为例）层间结构水含量对电化学储锌行为和电池性能的影响规律;阐明了传统V₂O₅正极在水系ZnSO₄电解液中的储锌机理。主要结果与内容如下:1.一体化层状钒氧化物正极的理性设计与电化学性能研究。采用原位电化学沉积方法,可控制备了V₅O₁₂·6H₂O（VOH）纳米带均匀地沉积在不锈钢网基体表面,其可直接用作正极材料。这种简单的电化学沉积方法可以简化电极制备工艺,避免非活性物质（如粘结剂、导电剂）的使用,有利于提升电池的能量密度,降低电极装配成本。通过优化电解液（3 M Zn（CF₃SO₃）₂）,VOH正极实现了346.5 mAh g^-1(0.5 A g^-1)可逆容量和长循环稳定性(循环1000圈后,容量保持率为94%(2 A g^-1))。研究表明,其大层状结构（1.18 nm）和丰富的层间结构水,能够显著提升Zn²⁺扩散动力学(Zn²⁺的扩散系数为10^-10–10^-11 cm² s^-1),使得VOH正极具有优异的倍率性能(278 mAh g^-1,3.0 A g^-1)。利用化学分析方法以及多种表征手段（如XRD、XPS、TEM等）,阐明了VOH正极材料的电化学储锌机理,即放/充电过程中,Zn²⁺可逆的在VOH层间嵌入/脱出,同时伴随着钒价态可逆的降低/升高。此外,得益于一体化VOH柔性特点,我们构建了一种柔性准固态Zn-VOH电池器件,开发了柔性准固态明胶电解质,电化学测试表明,柔性Zn-VOH电池在不同弯曲状态均可实现稳定工作,且循环50次容量保持率高达96%。2.V₂O₅·nH₂O层间结构水含量对电化学储锌行为的影响规律研究。利用简单室温合成方法制备出层状V₂O₅·nH₂O正极材料,通过调控煅烧温度实现了对V₂O₅·nH₂O中结构水含量的调控。结合XRD、TGA、FTIR、SEM等表征手段确定了不同热处理温度对层间结构水含量影响规律,以及层间水含量对V₂O₅·nH₂O正极形貌和结构的影响规律。在0、150、200、300℃的煅烧温度下,V₂O₅·nH₂O中水含量分别为n=1.3、0.8、0.5、0。通过多种电化学分析方法,深入研究了V₂O₅·nH₂O层间结构水含量对反应容量、倍率性能、循环稳定性、赝电容行为和锌离子扩散系数的影响。结果表明,层间结构水含量n=1.3时,V₂O₅·nH₂O显示最优异的电化学性能,例如:331 mAh g^-1(0.5 A g^-1)的可逆容量和循环1000圈后容量保持率为92.5%(2 A g^-1)的长循环稳定性,以及267 mAh g^-1(2.0A g^-1)的倍率性能。这主要是由于间结构水具有电荷屏蔽的功能,可以减少Zn²⁺有效电荷,降低Zn²⁺和正极晶体结构间的静电斥力,有利于提升Zn²⁺电化学反应动力学。3.V₂O₅正极在水系ZnSO₄电解液中的储锌机理研究。层状V₂O₅正极材料在可充水系锌电池中已经得到研究,但其充放电机理目前仍存在争议。基于此,我们通过电化学测试、XRD、XPS、UV-vis、SEM、TEM等表征方法,揭示了V₂O₅正极在水系ZnSO₄电解液中的电化学反应机理。研究表明,在放电过程,H⁺和Zn²⁺共同嵌入V₂O₅正极材料中,第一和第二个放电电压平台分别主要由H⁺和Zn²⁺嵌入贡献。同时,在正极表面会逐渐产生Zn₄SO₄（OH）₆·5H₂O副产物,这是由于H⁺的嵌入会导致电解液局部pH上升（H₂O→H⁺+OH^-）,引发了SO₄^2-、Zn²⁺和OH^-之间的沉淀反应。在充电过程中,H⁺和Zn²⁺逐步从V₂O₅正极结构中脱出,伴随着Zn₄SO₄（OH）₆·5H₂O的溶解。我们进一步研究了电解液浓度对V₂O₅正极电化学性能的影响规律。结果表明,高浓度电解液（3 M）可以降低水分子的活度,减少活性物质的溶解,能够提升正极材料循环稳定性。因此,V₂O₅正极显示出了优异的循环稳定性,循环1200圈后容量保持率为92.4%(2 A g^-1)。此外,电化学测试表明,V₂O₅正极在充放电过程中存在赝电容行为,有利于提升电池的倍率性能,在0.5和4.0 A g^-1电流密度下分别实现了407.7和304.6 mAh g^-1的容量。