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为解决能源和环境危机,开发和利用风能、太阳能,生物质能等可再生能源已成为一项重要的研究课题。这些可再生能源具有间歇性,不稳定性等特性,所以需要稳定、安全、高效的大规模储能装置对其进行整合,才能被利用。水系二次电池（aqueous rechargeable batteries,ARBs）,以水溶液为电解质,具有低成本、高安全、易组装等特点,是一种理想的新型大规模储能技术。然而,受到水的电化学窗口（～1.23 V）的限制,能够应用于ARBs且性能优异的负极材料却很少,因此,研究和设计具有高比容量和长循环寿命的负极材料是制备高效、稳定的ARBs的关键。本论文制备了具有核壳结构的Li Ti2（PO4）3/C（PDA-c LTP）、聚2,5-二羟基-1,4-苯醌-3,6-亚甲基（PDBM）和吩嗪三类高性能负极材料。具体工作内容如下:一、借助于聚多巴胺的粘附效应,本文采用固相合成并结合聚多巴胺包覆的方法制备了PDA-c LTP。PDA-c LTP表面生成的一层厚度为～7 nm的均匀的碳层有效阻止了水分子和溶解氧的侵蚀,提高了Li Ti2（PO4）3在水溶液中的稳定性。PDA-c LTP负极在1 C下的比容量高达117 m Ah g-1,同时在10 C下的比容量为80 m Ah g-1,循环1,000次后的容量保持率为76%,具有良好的倍率性能和循环稳定性。二、为突破无机负极材料理论比容量偏低的限制,本文通过聚合反应法制备的聚2,5-二羟基-1,4-苯醌-3,6-亚甲基（PDBM）负极,不仅比无机PDA-c LTP的比容量高,而且对金属离子具有广泛适应性。分别在含有一价Na+、二价Mg2+和三价Al3+的乙酸盐电解质中,PDBM负极在1 C下的比容量分别为140、227和201 m Ah g-1。同时,在含有IIA元素的Mg2+、Ca2+、Sr2+、Ba2+的乙酸盐电解质中,PDBM负极在1 C下的比容量分别为227、242、220和251m Ah g-1,其氧化还原电势却具有随着金属离子半径的增大而逐渐降低的趋势。另外,在1 M Zn（CH3COO）2和1 M Mn（CH3COO）2中,PDBM负极在1 C下比容量也分别为233和195 m Ah g-1。DFT计算表明,在电化学反应过程中,一价离子将储存在PDBM分子的苯环平面侧位,而二价或三价离子将储存在苯环平面上。多价离子的电荷密度较大,可同时与多个还原态C-O-结合,可利用更多的活性位点,使PDBM负极具有更高比容量。同时,PDBM负极的氧化还原电势随金属离子与PDBM分子的结合能的减小而降低。鉴于不同价态的离子在PDBM负极上的不同的反应机制,本文探究了PDBM负极在同时含有Li+和Zn2+的混合电解质中的电化学性能。在1 M Li2SO4//2 M Zn SO4电解质中,PDBM负极1 C下的比容量为255 m Ah g-1,循环700次后的容量保持率为83%,均高于在单一的1 M Li2SO4(150 m Ah g-1;76%)和2 M Zn SO4电解质中(206 m Ah g-1;76%)中的电化学性能。Li+和Zn2+在PDBM负极上具有正向协同作用。最后,组装的PDBM‖1 M Li2SO4//2 M Zn SO4‖LMn2O4全电池,其平均电压为1.15 V,能量密度为94.6 Wh kg-1,1 C下700次循环后的容量保持率为81%。三、PDBM的电子电导率极低,且难以与导电碳复合,致使其活性物质利用率较低。本文通过原位溶解-沉积法,制备了能够与科琴炭黑（KB）有效复合的纳米化吩嗪/科琴炭黑（n PZ/KB）复合材料。KB具有较高的比表面积(1386 m~2g-1)、孔隙率(2.54 cm~3g-1)和电子电导率(458 S cm-1),能够使纳米化吩嗪均匀沉积在KB骨架上,所制备的n PZ/KB复合材料具有较高的比表面积(277.6 m~2g-1)、孔隙率(0.71cm~3g-1)和电子电导率(87.0 S cm-1),确保了电化学反应过程中离子和电子的快速传输,使n PZ/KB负极具有较高的比容量和倍率性能。此外,吩嗪以及吩嗪的还原产物在水溶液中极低的溶解度确保了n PZ/KB负极超长的循环寿命。在6 M KOH电解质中,n PZ/KB负极在1 C下的比容量高达286 m Ah g-1,活性物质利用率接近100%。在100 C下,n PZ/KB的比容量为102 m Ah g-1,循环100,000次后的容量保持率为76%,具有超高的倍率性能和超长的循环稳定性。得益于吩嗪晶体较宽的晶面间距,这些电荷密度较大的Mg2+、Ca2+和Zn2+可穿过吩嗪晶格并扩散至C=N活性位点处参与配位反应,在1 M Mg（CH3COO）2、1 M Ca（CH3COO）2和2 M Zn SO4电解质中,n PZ/KB负极在0.2 C下的比容量分别为225、224和230 m Ah g-1;在10 C下循环10,000次后的容量保持率分别为70%,51%和86%。