水系锂离子电池成本低、安全性高、离子电导率高,在1.8 V电压窗口能提供可观的容量,因此有望成为可再生能源的大型储备电源。二维（2D）层状正极材料由于其电荷离域的宏观性,更有利于Li+的脱嵌,是锂离子电池理想的正极材料。然而,包括LiCoO2在内的层状正极材料,在中性水系电解液中表现出很差的循环稳定性,严重阻碍了水系锂离子电池的实际应用。本论文以LiCoO2为研究对象,首先研究了其在不同p H值水系电解液中的衰减机理。研究发现,在充放电过程中,电极-电解液界面的不稳定性质,导致LiCoO2容量的快速衰减。这一发现为解决层状材料在水系电解液中的结构不稳定性,提供了重要的理论出发点。对层状LiCoO2的结构改性,我们开发了三种有效的方式:改变Co-O共价性、合成H0.5Li0.5Co O2层状异质结、合成层状-尖晶石纳米畴。具体的研究内容如下所述:（1）我们首先研究了LiCoO2在水系锂离子电解液中的衰变机理。研究发现,在充电过程中,LiCoO2边面（如（104）、（110）面）OH基团的形成,导致界面Co元素的迁移和溶解,加速界面的不可逆相变。由于在尖晶石结构与层状结构之间,晶格参数差异较大,造成了较大的晶格应力和畸变,导致LiCoO2容量的连续衰减。基于这些发现,我们通过在LiCoO2中引入过量的Li来调整Co 3d-O 2p共价性,以改善其在水系电解液中,严重的结构不稳定性。采用熔融盐法合成的过锂Li1+xCo O2样品,在中性水系电解液中表现出前所未有的电化学稳定性。Li在Co位的取代,诱导产生了Co O5五面体的方形锥体结构,并且缩短了晶体中的Co-O键长。我们首次观察到H2O分子在LiCoO2中的插层。Li层间距扩大到～6.77?,不仅有利于Li+的扩散,同时实现了Co的可逆迁移。在中性水系电解液中,过锂Li1.08Co O2在1 A g-1的电流下循环400圈的容量保持率为88%,表现出良好的结构稳定性。过锂Li1.08Co O2在0.1 A g-1时可提供～130 m Ah g-1的比容量,在30 A g-1时可提供～85 m Ah g-1的容量,表现出优越的电极动力学性能。我们的研究结果,为高性能水系锂离子电池的构建,开辟了一条新的道路。（2）单层或多层过渡金属氢氧化物、碱式氧化物、氧化物的超薄纳米片具有丰富的活性位点,是一种很有前途的2D纳米材料。然而,这些2D超薄纳米片的合成仍然是一个巨大的挑战。在这部分,我们开发了一种液相外延（LPE）方法,能高效且快速地合成单层和多层过渡金属氢氧化物、碱式氧化物、氧化物超薄纳米片（β-Ni（OH）2、δ-Fe OOH、β-Co OOH和单斜LixMn O2）。在LPE合成过程中,以预先生成的（001）面暴露的Li2O2纳米片为基底,过渡金属氢氧化物在此平面上通过共格晶界外延生长。经过后续的原位氧化,和简单的蒸馏水洗涤去除Li2O2模板,最终得到过渡金属氢氧化物、碱式氧化物、氧化物超薄纳米片。我们将单层β-Co OOH超薄纳米片作为前驱体,通过低温水热离子交换反应,得到了HxLi1-xCo O2层状异质结构。有趣的是,层状异质结H0.5Li0.5Co O2在未调节p H值的1 M Li2SO4溶液中表现出超高的电化学稳定性,在1 A g-1的电流下比容量为～120 m Ah g-1,2000圈循环后的容量保持率为～90%。我们观察到,由于静电斥力作用,在充电（脱锂）至1 V（vs.SCE）时,Li层间距扩大到～6?,而H层间距保持为～4.5?。Li层间距的扩大有利于Li+扩散,实现Co原子迁移的可逆,从而抑制层状结构向尖晶石结构的转变,提高Li+脱嵌过程中材料的结构稳定性。（3）具有自支撑特征的三维（3D）电极代表了先进锂离子电池电极的最新设计。然而,正极材料3D结构的构建仍然是一个巨大的挑战。在这项工作中,通过水热对Co（CO3）1-x（OH）2x·n H2O纳米线阵列,进行限域的溶解-再结晶的反应,在碳布上生长出自支撑的3D LiCoO2纳米片组装的纳米柱阵列。形成的中间态Co OOH纳米片可以催化H2O2的分解,产成的氧气泡层可以对溶解-再结晶进行限域。两个单晶层状LiCoO2纳米片以70.2°的夹角组装形成纳米畴。交织处呈现立方尖晶石LiCoO2对称结构。380°C的低温热处理,可以消除Li层的质子和Li+异常占位引起的结构畸变。所得到的具有层状-尖晶石纳米畴的3D分级LiCoO2纳米柱阵列电极,在用作水系锂离子电池正极时,具有比容量大、倍率性能和循环性能优异的特点。采用3D分级结构的LiCoO2纳米柱阵列作为正极,和碳布负载的Li Ti2（PO4）3/C负极进行匹配,成功地构建了LiCoO2//Li Ti2（PO4）3柔性水系锂离子全电池器件,显示出优异的倍率性能和循环性能。