随着可穿戴/便携式电子设备的快速发展,人们对于柔性储能器件的研究愈发广泛。在众多新型储能器件中,中性水系电池因其高的安全性、低的成本和出色的离子导电性,成为为可穿戴电子器件供能的理想选择。其中,柔性自支撑电极是实现可穿戴储能器件的核心部分,它能够避免粘结剂的使用,提高活性材料与电解液的接触面积和电极整体的导电性。然而,由于水系电极材料的匮乏,柔性自支撑电极的制备仍然是一个挑战。此外,低的体积/面积能量密度也是限制柔性水系电池发展的关键问题。因此,本文通过模板转化、直接生长和引入三维导电骨架的方法设计及制备具有分级结构的柔性自支撑电极,以提高电极的体积/面积容量,进而构筑高性能的柔性水系电池。主要研究内容分为以下几个部分:(1)自支撑电极的制备一直是构建高柔性水系钠离子电池的难点。本文通过化学刻蚀和溶剂热的方法分别在碳纳米管纤维(CNTFs)上生长了自支撑KNiFe(CN)6正极和NaTi2(PO4)3负极,并成功组装了基于自支撑双电极的准固态纤维状水系钠离子电池。该器件实现了高的体积容量(34.21 mAh cm-3)、优异的体积能量密度(39.32 mWh cm-3)和出色的机械柔性。(2)此外,自支撑正极低的电压平台限制了水系柔性钠离子电池的能量密度。本文以金属锌纳米片阵列作为锌源和还原剂,通过水浴法在碳布表面转化合成了立方体结构的K2Zn3(Fe(CN)6)2·9H2O,为普鲁士蓝类似物自支撑电极的制备提供了新的思路。制备的柔性自支撑电极实现了～0.8 V的电压平台和0.76 mAh cm-2的面积容量。通过结合NaTi2(PO4)3自支撑负极,我们成功组装了具有高电压(1.6 V)的柔性水系钠离子电池,获得了高的面积能量密度(0.92 mWh cm-2)和功率密度(14.3 mW cm-2)。(3)自支撑正极低的活性材料负载量限制了柔性水系锌离子电池的发展。本文通过电化学方法在三维多孔金属镍支架的表面沉积二氧化锰纳米片(Ni@MnO2),制备了高负载量和高导电性的柔性自支撑电极。以Ni@MnO2为正极组装的锌锰微电池获得了高的面积能量密度,将微电池与柔性压力传感器进行集成,可以贴附于人体皮肤上对人体的健康信号进行实时监测,实现了多功能的集成器件。(4)除了上一章工作中金属镍骨架的设计,本文还通过对生长在CNTFs上的Co-MOF(ZIF-67)纳米墙阵列进行高温碳化还原和刻蚀,获得高导电的三维多孔碳骨架,然后利用溶剂热的方法在其表面生长了 V2O5纳米片,制备出核壳结构的CNTF@NC@V2O5柔性自支撑电极。此外,所构筑的纤维状准固态锌离子电池实现了高的体积能量密度(40.8 mWh cm-3)和功率密度(5.6Wcm-3),并展现出超快充放电的特性。(5)上一章节中MOFs的应用条件复杂苛刻,而且高温碳化破坏了材料本身活性位点和孔道结构。因此,本文通过自牺牲模板法在CNTFs上生长了三维V-MOFs(MIL-47)纳米线束阵列直接作为水系锌离子电池的自支撑正极(CNTF@V-MOF)。CNTF@V-MOF的设计弥补了 MOF材料电子导电性差的不足,充分利用了其活性位点丰富和离子扩散性高的优势。因此,组装的准固态纤维状锌离子电池具有了优异的能量密度(17.4 mWh cm-3),功率密度(1.46W cm-3)和出色的倍率性能。