钠离子电池、钙离子电池等新型金属离子电池的发展对于缓解锂资源短缺、克服锂离子电池技术瓶颈具有重要意义。高性能电极材料的缺乏是新型储能器件发展面临的主要难题。本文围绕碱土金属钒酸盐电极材料,从材料的制备、表征、形成机制、电化学性能及储能机理等方面深入研究了多种新型碱土金属钒酸盐分别在钠离子电池、钙离子电池及锂离子电池中的应用前景。揭示了碱土金属离子分别在钠离子电池负极和钙离子电池正极中的两种不同优化机制,为高性能电极材料的开发及新型金属离子电池的发展奠定了一定科学基础。主要研究成果如下:（1）基于水热合成等技术,合成了多种新型碱土金属钒酸盐电极材料,包括CaV₄O₉纳米线、CaV₄O₉微米花、SrV₄O₉微米花、Mg_0.25V₂O₅·H₂O微米片、Mg_0.35V₂O₅·H₂O纳米带、Ca_0.44V₂O₅·H₂O纳米带、Sr_0.32V₂O₅·0.7H₂O纳米带,分别对它们的物相、形貌、价态、元素分布及形成机理进行了详细的表征和分析。（2）深入研究了CaV₄O₉纳米线作为钠离子电池负极的储钠性能与机理。发现CaV₄O₉纳米线储钠过程中体积变化小（<10%）且具有一种基于原位生成CaO产生的优化效应,这使得其具有合适的可逆比容量(>300 mAh g^-1)的同时具有良好倍率性能和优异循环性能（可达1600圈）。通过原位/非原位表征及理论模拟计算,揭示了其特殊的储钠机制。钠离子嵌入后CaV₄O₉会原位转换成NaVO₂和CaO纳米晶,CaO纳米晶不参与反应,但可有效抑制活性纳米晶粒的团聚和长大,维持其小尺寸状态,从而保证后续反应的高度可逆性。（3）构筑了纳米片堆积而成的CaV₄O₉实心微米花,在高负载量下同时实现了高面积比容量和优异循环稳定性。实心微米花结构有效提升了材料的振实密度,同时纳米片单元保留了材料的纳米效应。当作为锂离子电池负极时,在4.4 mg cm^-2的高负载量下面积比容量达到².5 mAh cm^-2,此外,在面积比容量超过1.5 mAh cm^-2的情况下稳定循环超过400圈。当用作钠离子电池负极时,在高负载量下也体现了优异的电化学性能。（4）系统研究了Mg_0.25V₂O₅·H₂O微米片作为钙离子电池正极的电化学性能与机理。可逆比容量可达¹20 mAh g^-1,结合原位/非原位表征,发现其是一种超稳定的钙离子电池正极,在钙离子嵌入脱出过程中层间距的变化仅为0.09?,这使得其具有非常优异的循环稳定性。（5）系统对比了Mg_0.35V₂O₅·H₂O、Ca_0.44V₂O₅·H₂O和Sr_0.32V₂O₅·0.7H₂O纳米带的储钙性能和机制,发现层间不同碱土金属离子对结构稳定性和循环稳定性具有重要影响。层间含Mg离子时结构最稳定,对应的循环性能最优。