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为了实现高能量功率密度、高安全性、长循环寿命,可持续、低成本和大规模储能的先进电池技术的日益增长的需求,发展下一代非锂充电电池技术势在必行。在众多碱金属中,钾储量丰富,标准还原氢电势接近锂,既能满足了低成本的要求,又解决了低能量密度的问题。并且,电解液中钾离子斯托克斯半径具有较高的离子导电性,这使得钾离子电池具有超高的倍率性能。因此,钾离子电池技术被认为是先进电池技术的潜在候选者之一。然而现阶段仍存在许多的问题阻碍了钾离子电池的发展。例如:钾离子半径较大,宿主在脱嵌钾离子过程中,结构应力释放造成体积膨胀严重,电极粉化脱落,最终造成比容量和充放电平台的急剧衰退;缺少超长稳定性,合适的充放电平台的正负极材料等。本文设计了一系列高性能非水系钾离子全电池器件和环境友好,低成本,高安全的水系钾离子全电池储能系统,同时通过非原位或者原位X-射线衍射（XRD）和第一性原理计算等表征技术对电极充放电的反应机理进行了深入浅出的探讨。具体内容如下:（1）在第2章中,基于硒化钼（MoSe2）表现出高导电性和稳定的夹层状三明治结构的优势。针对MoSe2在碱金属离子嵌入和脱出过程中循环稳定性差的问题,采用原位碳包覆技术制备了硒化钼复合材料（MoSe2/N-C）。首先对比了MoSe2/N-C电极在双氟磺酰亚胺盐和六氟磷酸钾基电解液中的表现。结果表明电极在1M双氟磺酰亚胺钾盐/碳酸甲乙酯电解液中的电化学性能最佳。此外,采用非原位的XRD、非原位的拉曼和TEM对充放电前后的电极结构进行分析。结果表明MoSe2/N-C在钾离子电池系统的放电产物组分主要是K5Se3,充电产物包含MoSe2、Mo15Se19和单质Se。这种新型电解质及其所提出的反应机理,将为今后钾离子电池新型负极材料的制备和设计提供方向和思路。（2）在第3章中,针对目前3 M双氟磺酰亚胺钾盐/乙二醇二甲醚电解液在4V以上的高压下,对集流体的腐蚀和电解液的分解的问题,利用硒化铁团簇（FeSe2）负极合适的电压平台来拉低正极的电压平台,从而实现超长稳定性、高能量密度和功率密度的钾离子混合电容器。FeSe2作为钾离子电池阳极在半电池中表现出超长的循环稳定性。此外,通过第一性原理计算、原位X射线衍射和非原位透射电子显微镜研究了FeSe2的反应机理。我们发现FeSe2在首次充放电过程中会发生不可逆的电化学重构转化为Fe3Se4。这个工作展示了FeSe2储钾机理的基本了解。除此之外,FeSe2与活性炭阴极匹配组成钾离子混合电容器,混合电容器可以提供230Wh kg-1能量密度和920 W kg-1的功率密度。（3）在第4章中,报道了一种通过调控不同温度使金属锌颗粒催化g-C3N4制备多级结构的高氮掺杂的微米球（CMSs）用于钾离子电池阳极。与传统的碳纳米材料相比,CMSs具有丰富的内部结构,不仅提供了额外的活性位点和更好的电子传递,还缓解了钾离子脱嵌过程中引起的体积膨胀等问题。CMSs作为钾离子电池的阳极材料,低电流密度下稳定运作时间超过12个月。CMSs阳极还表现出持久的循环性能,高电流密度下可以稳定循环10000次。值得注意的是,CMSs阳极可以与有机正极PCTDA耦合成反向钾离子混合电容器。该混合电容器可以输出高的能量密度和功率密度,分别为141 Wh kg-1和4382 W kg-1。考虑到CMSs的丰富微观结构及其简便的合成方法,本研究描述了在电池应用中使用CMSs优于其他电极材料的优点。（4）在第5章中,水系电池固有的高安全性和低成品优势成为具有竞争力的替代有机电解液体系电池的候选者。有机材料丰富,价格低廉,符合大规模储能和低成本的要求。其次,有机材料的结构多样,可以通过调节官能团来调节有机材料的氧化还原电位。此外,有机电极具有环境可降解性和可持续性等优点,对降低碳足迹具有重要意义。因此,本章首次报道了以有机聚三苯胺为阴极、有机3,4,9,10-苝四羧基二亚胺为阳极和21 M KFSI水溶液为电解液组成的一款全有机的水系钾双离子电池。在500 mA g-1电流密度下,可稳定循环900多次。除此之外,水系钾双离子电池的工作机理通过X射线光谱和扫描电子显微镜被揭露:在充放电过程中,FSI-可以与聚三苯胺阴极中的氮原子发生化学反应,而K+可以与PTCDI阳极中的C=O键发生化学反应。（5）缺少超长循环稳定性和高放电平台的阴极材料严重阻碍了水系钾离子电池的发展。在第6章中,我们报道了通过修饰电解液助力超长稳定的水系钾离子阴极,其中原位化学反应涉及到Fe取代Mn基普鲁士蓝类似物（KMF）表面的Mn。我们通过原位XRD分析得出原位取代策略使电极由原来的单斜-立方-四方相之间的转变变成了单斜-立方相之间转变的结果。原始电极和循环200次后电极的STEM线扫描证实我们的取代过程到达一定原子比后取代过程结束。经修饰电解液改善的阴极表现出优异的电化学性能。通过将改性KMF阴极与有机3,4,9,10-苝四羧基二亚胺阳极耦合,构建了水系钾离子全电池,其能量密度为92 Wh kg-1,容量保持性能优异(在1500 mAh g-1下循环5000次后容量保持率为90%)。因此,原位阳离子取代策略可以成为一种完美的技术用于构建长期循环稳定性的水系钾离子电池阴极。