水系镁离子电池作为新型大规模储能电池,具有制造工艺简单,环境友好,安全性能高,成本低等优势。该体系采用储量丰富的无机镁盐的水溶液为电解液,大大降低了成本并提高了安全性。在水系电解液中,离子电导率要比有机电解液高出两个数量级,因而水系电池具有更优异的倍率性能。本论文针对水系镁离子电池的正负极材料展开研究,制备出了可适用于水系镁离子电池Mg-Mn氧化物正极材料和Fe-V氧化物负极材料,考察了在不同镁盐电解液中的电化学性能,研究了Mg²⁺在所制备正、负极材料中的电化学反应机理,最后组装成水系镁离子全电池并测试了其电化学性能。采用一步水热法制备了1×1孔道结构镁锰氧化物Mg-OMS-7,根据扫描电镜测试结果可知,通过简单的改变反应物浓度,可实现材料形貌的调控;当H₂SO₄浓度为0.2 mol dm^-3时,合成的0.2-Mg-OMS-7材料为微米橄榄球状,长约为35μm,宽约5μm;当H₂SO₄浓度为1.6 mol dm^-3时,所合成的1.6-Mg-OMS-7材料的尺寸最小,长为2⁴μm,宽约200 nm。以这两种物质为水系镁离子电池的正极材料,利用循环伏安和恒流充放电技术考察了这两种电极在不同镁盐0.5mol dm^-3 MgCl₂,Mg（NO₃）₂和MgSO₄电解液下的电化学性能,尺寸最小的1.6-Mg-OMS-7材料具有更优异的电化学性能,当电流密度为10 mA g^-1时,1.6-Mg-OMS-7电极在0.5 mol dm^-3 MgCl₂,Mg（NO₃）₂和MgSO₄电解液中的放电比容量分别为194.6,205.9和150.8 mAh g^-1。采用水热法合成2×2孔道结构镁锰氧化物Mg-OMS-2,并利用原位生长法制备出以石墨烯为基底的复合材料Mg-OMS-2/Graphene。根据扫描电镜和透射电镜测试结果可知,纳米线状的Mg-OMS-2长为0.2²μm,宽为10¹5 nm;复合材料中,纳米线附着在石墨烯薄片上,两者紧密贴合。以它们为正极材料,利用循环伏安和恒流充放电技术考察了两种电极在不同镁盐电极液下的电化学性能,具有石墨烯的复合材料表现出更优异的电化学活性。同时,以Mg-OMS-2/Graphene为正极,以活性炭为负极,0.5 mol dm^-3 Mg（NO₃）₂为电解液组装成水系镁离子电容电池,在电流密度为100 mA g^-1,经过500圈循环后,该装置的放电比容量为44.1 mAh g^-1,容量保持率为95.8%,同时可获得46.9 Wh kg^-1的能量密度。利用X射线衍射和X射线光电子能谱技术研究了该电极的电化学反应机理,得到了Mg²⁺在Mg-OMS-2/Graphene电极材料中的嵌入和脱出伴随着Mn⁴⁺/Mn³⁺、Mn³⁺/Mn²⁺的化合价变化,这一结果与循环伏安曲线的两对氧化还原峰相一致。采用溶胶-凝胶法和水热法制备出两种具有3×3孔道结构的镁锰氧化物Mg-OMS-1,利用XRD证明了两种物质均为纯相结构,扫描电镜和透射电镜结果表明,溶胶凝胶法制备出的Mg-OMS-1为纳米带状,宽度约50²00 nm之间,长度约10μm;水热法制备出的Mg-OMS-1为纳米片状,厚度约100 nm,宽度约2μm。通过循环伏安和恒流充放电技术考察了两种电极在不同镁盐和不同浓度镁盐电解液下的电化学性能。当电流密度为100 mA g^-1时,纳米带Mg-OMS-1电极在0.5 mol dm^-3 MgCl₂,Mg（NO₃）₂和MgSO₄电解液中首次放电比容量分别为99.5,93.5和98.9 mAh g^-1,经过200圈循环后,其容量保持率分别为88.9%,90.4%和43.8%;纳米片Mg-OMS-1电极的首次放电比容量分别为106.0,105.5和109.7mAh g^-1,经过300圈循环后,其容量保持率分别为83.7%,64.5%和62.0%。通过交流阻抗技术进一步分析了纳米片状Mg-OMS-1在三种不同镁盐电解液下的脱嵌行为,镁离子在三种不同镁盐电极液中的扩散系数分别为:9.65E-15,8.88E-15和4.05E-15 cm² s^-1。以纳米片状Mg-OMS-1电极为例,利用X射线衍射、X光电子能谱和电子顺磁共振技术研究了电极的电化学反应机理,得到了Mg²⁺在纳米片Mg-OMS-1电极材料中的嵌入和脱出伴随着Mn⁴⁺/Mn³⁺、Mn³⁺/Mn²⁺的化合价变化,利用热重分析,电感耦合等离子体质谱分析和所得电化学测试结果,计算出纳米片状Mg-OMS-1材料可能的理论比容量为356 mAh g^-1。采用一步水热法和煅烧法分别制备出FeVO₄·0.9H₂O和FeVO₄,并通过原位生长和碳包覆的方法对其改性制备出石墨烯复合材料FeVO₄·0.9H₂O/Graphene和碳包覆FeVO₄/C。利用扫描电镜和透射电镜技术得到了FeVO₄·0.9H₂O和FeVO₄·0.9H₂O/Graphene具有纳米针形貌,FeVO₄和FeVO₄/C为多孔结构。以它们为水系镁离子电池负极材料,利用循环伏安和恒流充放电技术考察了电极在1.0 mol dm^-3 MgSO₄镁盐电解液下的电化学性能,经过改性的电极FeVO₄·0.9H₂O/Graphene和FeVO₄/C表现出更优异的储镁性能,当电流密度为50mA g^-1时,FeVO₄·0.9H₂O/Graphene电极的放电比容量可达183.8 mAh g^-1,而在相同条件下FeVO₄·0.9H₂O电极为150.3 mAh g^-1;FeVO₄/C电极的放电比容量可达184.2 mAh g^-1,而在相同条件下FeVO₄电极为139.5 mAh g^-1。同时,以FeVO₄和FeVO₄/C电极为例,结合交流阻抗技术计算了镁离子的扩散系数分别为4.61E-11和1.53E-10 cm² s^-1。利用X射线衍射和X光电子能谱技术探究了FeVO₄/C电极的电化学反应机理,发现首次放电形成的中间体相MgxFeVO₄/C,会进行Mg²⁺的嵌入和脱出并伴随着Fe和V元素化合价的变化。最后,以纳米片状Mg-OMS-1为正极,以FeVO₄/C为负极,1.0 mol dm^-3 MgSO₄为电解液,组装成水系镁离子全电池,Mg-OMS-1//FeVO₄/C全电池装置的能量密度为70.4 Wh kg^-1,并且与其它水系体系的电池进行对比。