为了缓解日益严重的能源危机和环境污染等问题,发展可持续的能源储存技术非常重要。如今,已经商业化的锂离子电池还在努力地提高电池能量密度,减小生产成本,满足动力汽车和大规模的智能电网能源储存设备的需求。近来,双离子电池,作为一种新型的能源储存器件,因其具有高的能量密度,长寿命和低成本等优势逐渐被电池研究者们所关注。然而,由于双离子电池的发展还处于初期阶段,能量密度还有待进一步提高,涉及电池充放电过程中的原位机理研究较少。因此,本论文从新型高能量密度的双离子电池的设计和组装入手,结合多种原位表征技术以及理论计算,对电池充放电过程中的反应机理以及电解液添加剂的作用进行探讨。主要研究内容如下:1.分别用通过共沉淀法制备的多孔MnO材料,直接购买的Sn箔和锂片为负极,石墨材料为正极成功组装了MnO-石墨,Sn-石墨和Li-石墨双离子电池。并运用扫描电镜（SEM）,透射电镜（TEM）,X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱分析（XPS）等技术对电极材料进行表征。同时对电池的性能进行测试,结果表明:Mn-石墨双离子电池在功率密度为326Wkg-1时得到能量密度为326Whkg-1;Sn-石墨双离子电池在功率密度为348.7Wkg-1时得到能量密度为348.7Whkg-1;Li-石墨双离子电池在功率密度为748Wkg-1时得到能量密度为374Whkg-1,与现在的锂离子电池和目前的双离子电池相比,本论文报道的双离子电池的能量密度都表现出优异的电化学性能。2.对MnO-石墨双离子电池首周库伦低以及不可逆容量的来源进行探讨和机理分析。通过原位XRD（operando XRD）,非原位XRD（ex-situXRD）和原位电化学阻抗（in-situ EIS）等技术对MnO-石墨双离子电池在恒流充放电过程的正负极材料结构变化和阻抗变化进行研究。结果表明:在首周充放电过程中,不可逆容量主要有三个来源:（1）石墨正极反应是PF6-在石墨正极的嵌入/脱出反应的动力学阻碍和PF6-的不完全完全脱出;（2）电解液的分解和SEI膜的大量生成;（3）负极MnO发生不完全可逆的转化反应。在第二周充放电反应中,不可逆容量的来源减少,动力学阻碍降低,因此,电池的库伦效率明显升高。随着充放电的进行,电极反应的可逆程度增加,库伦效率将会升高并趋于稳定。3.对Sn-石墨双离子电池中的碳酸亚乙烯酯（VC）电解液添加剂作用机理进行探讨分析。通过线性扫描伏安法（LSV）,在线差分电化学质谱（OEMS）,原位XRD（operando XRD）,非原位XRD（ex-situ XRD）和原位电化学阻抗（in-situ EIS）等技术对Sn-石墨双离子电池在恒流充放电过程中碳酸亚乙烯酯（VC）对电池反应的影响进行研究。结果表明:VC的加入可以提高电解液的氧化稳定性,VC在首周充电至4.4V时发生分解,分解会产生poly（VC）,同时加速锂盐的首周分解,在首周就形成了稳定的界面膜,而在随后的充放电过程中,不再大量生成界面膜,同时减小了锂盐副反应的发生,进一步提高了电池的稳定性。4.对Li-石墨双离子电池中的AgPF6-LiNO3复合电解液添加剂作用机理进行探讨分析。恒电流充放电和对称电池测试结果表明:AgPF6-LiNO3复合电解液添加剂对Li-石墨双离子电池的循环性能有很大影响,其中最主要是对锂金属负极稳定性的影响。通过线性扫描伏安法（LSV）,扫描电子显微镜（SEM）,电化学阻抗（EIS）和吸附能的计算等技术对AgPF6-LiNO3复合电解液添加剂的作用机理进行研究。结果表明:AgPF6-LiNO3复合电解液添加剂的加入会在Li金属负极表面自发沉积一层均匀的AgLi合金层,同时它可以降低Li沉积的能垒提高亲锂性,增加成核过电位细化成核晶粒,延长枝晶生长时间,抑制锂枝晶的生长,提高Li金属负极的稳定性,进而保证了Li-石墨双离子电池的稳定性。综上所述,本论文通过不同负极与石墨正极的匹配和组装提高了双离子电池的能量密度。通过原位XRD,OEMS和EIS等多种表征技术的联用,探讨了首周不可逆容量的来源以及添加剂VC和AgPF6-LiNO3复合电解液添加剂的作用机理。本论文的研究结果对于发展高能量密度的双离子电池可提供重要的实验依据和理论支撑。