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在当前全球碳达峰碳中和发展理念下,锂离子电池作为一种绿色储能器件,受到社会的广泛关注。然而,锂离子电池由于锂矿产资源匮乏、分布不均以及高昂的成本,在中国大规模储能领域的应用受到明显的限制。为开发新一代低成本储能器件,有机钾离子电池引起了研究者的重视。相比于常规的无机材料在储钾时普遍存在的结构坍塌、稳定性差等问题,有机材料被证明可以稳定存储离子半径更大的钾离子,具有绿色环保、结构可设计以及性能可调控等优点。但现有研究中,尚缺少综合性能优异的有机电极材料,其普遍面临的两个严重问题是易溶解与导电性差。此外,在充放电过程中,电池负极一侧会产生活泼的金属枝晶,影响电池的安全性。为解决上述问题,开发了几种电化学活性的有机化合物作为钾离子电池负极材料,围绕有机分子结构设计、改性方法、电化学性能和储能机理展开研究,以提高有机电极材料在钾离子电池中的能量密度和循环稳定性,促进有机钾离子电池的实际应用。主要研究内容如下:（1）使用简单且难溶的有机酸——对苯二甲酸（1,4-Dicarboxybenzene,H2TP）作为负极活性材料,研究了其锂离子和钾离子存储能力。循环测试和计算发现,H2TP在首周还原过程中,能够产生H2,生成相应的对苯二甲酸盐。经过与导电炭黑（Super P,SP）球磨改性后,作为锂离子电池的有机负极,H2TP可以在500 mA·g-1的高电流密度下提供约235 mAh·g-1的高比容量,稳定充放电循环500次;作为钾离子电池的有机负极,H2TP表现出约240 mAh·g-1的实际比容量,能够稳定充放电循环150次。结果表明,H2TP具备存储锂离子和钾离子的通用能力,可以作为多种碱金属离子电池的有机负极材料。（2）为了克服有机小分子在液态电解液中的溶解性问题,在有机小分子结构上“安装”离子键,有效解决了有机电极材料溶解于电解液的问题。通过水解反应,设计合成出拥有4个K-O离子键的有机化合物——苝-3,4,9,10-四羧酸钾（Potassium Perylene-3,4,9,10-Tetracarboxylate,K4PTC）。循环伏安测试（Cyclic Voltammetry,CV）及量子化学计算发现,作为新型有机钾离子电池负极材料,K4PTC表现出两电子氧化还原活性,理论比容量为93 mAh·g-1。与碳纳米管（Carbon Nanotubes,CNT）原位复合后,K4PTC可以在500 mA·g-1的高电流密度下实现2500次长循环,保持约50 mAh·g-1的高度稳定的实际比容量。结果表明了K4PTC作为有机钾离子电池负极材料,可以实现优异的循环稳定性。（3）在研究得出K4PTC具有降低溶解度、提高循环稳定性能力的结论基础上,为进一步实现高比容量与能量密度,设计合成了一种新型的有机小分子——1,4-双（1,4-二甲酸钾苯基）苯（1,4-Bis（1,4-Potassium Dicarboxylate Phenyl）Benzene,BBK2TP）,探索了其存储钾离子的电化学机理与充放电性能。BBK2TP经过四步反应过程成功合成,表现出对常见电解液溶剂的难溶性。CV和充放电测试发现,BBK2TP拥有4电子氧化还原活性,能够实现192 mAh·g-1的高理论比容量。在循环过程中,BBK2TP实现了最高234 mAh·g-1的实际比容量以及50圈的稳定充放电循环。作为钾离子电池负极材料,其放电中值电压为0.47 V。结果表明,BBK2TP既能在全电池中实现高的能量密度,也避免了钾枝晶的生成,有效提升电池的安全性。（4）为了促进钾离子电池的实际应用,有必要深入研究具有高工作电压的有机钾离子全电池的电化学性能。以“缺钾型”的对苯二甲酸钾（Potassium Terephthalate,K2TP）作为有机负极,以“富钾型”的聚（N-乙烯基咔唑）（Poly（N-vinylcarbazole）,PVK）作为有机正极,制备了具有高工作电压（＞2 V）和长寿命的有机钾离子全电池（K2TP//PVK）。经过材料的改性以及电解液的优化,相较于已报道的基于全有机负极/正极的钾离子电池,K2TP//PVK全电池表现出3.2 V的高平均工作电压和2 V的最低工作电压。在2 A·g-1的高电流密度下,K2TP//PVK实现了3000次充放电循环,平均放电比容量为46 mAh·g-1。结果表明,使用纯有机电极的钾离子电池可以实现高工作电压和长循环寿命。（5）为了研究有机电极材料在钾离子电池中的循环稳定性问题,设计合成了三种难溶性的有机化合物（小分子型的1,4-二（9,10-蒽醌基）苯（1,4-Bis（9,10-Anthraquinone）Benzene,BAQB）、聚合物型的聚（3,4,9,10-苝-四羧酸酰胺-1,4-二氨基蒽醌）（Poly（3,4,9,10-Perylene-Tetracarboxylic Acid Amide-1,4-Diaminoanthraquinone）,PPAQ）和聚（1,4,5,8-萘四羧酸酰胺-1,4-二氨基蒽醌）（Poly（1,4,5,8-Naphthalenetetracarboxylic Acid Amide-1,4-Diaminoanthraquinone）,PNAQ））,探索了其储钾机理与充放电性能。溶解性与充放电测试发现,线性有机小分子BAQB相较于常见液体电解液,具有优秀的难溶性,表现出最高232 mAh·g-1的实际比容量（库伦效率接近100%）,在循环30圈后,容量保持率为57%。而聚合物PPAQ和PNAQ则具备更优异的循环稳定性。PPAQ实现了200圈的稳定循环,容量保持率为82.5%;PNAQ在100 mA·g-1的电流密度下,实现了200圈的稳定循环,容量保持在138 mAh·g-1,保持率高达92%。结果表明,聚合物在有机钾离子电池中能够实现更为稳定的充放电循环。