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随着电动汽车、智能电网的迅速发展,消费者对高容量、稳定、安全的储能技术的需求与日俱增。受限于锂矿资源的匮乏与分布不均,人们正在积极寻找后锂电池时代的替代品。铝离子电池因为三电子转移的氧化还原性质从而具备超高的理论容量,同时金属铝和离子液体电解液可燃性低也决定了它具备更高的安全性。本论文结合铝离子电池正极材料、离子液体电解液的研究现状和存在的问题,围绕正极材料储能性能、电池正负极、电解液原位监控表征开展研究工作。具体研究内容如下:1.Nb2O5纳米管作为高容量铝离子电池正极材料研究。高理论容量、安全、经济的特点使得铝离子电池引起了较多关注。但是受限于离子液体电解液强腐蚀性和三价铝离子强极化能力,已报道的正极材料大多可逆容量偏低。在此,我们用一步化学气相沉积法合成了有特殊暴露晶面的单晶Nb2O5纳米管作为铝离子电池正极材料。暴露的(001)晶面非常适合AlCl4-的嵌入/脱出,较短的离子扩散路径使得晶格中的嵌入/脱出等电化学反应比较容易进行。非原位X射线衍射和高分辨透射电子显微镜表明充放电过程中,可能是AlCl-在(001)晶格中可逆地嵌入和脱出。作为铝离子电池正极材料,Nb2O5纳米管可逆容量可以达到550mAh g-1,100 mAg-1的电流密度下可以稳定循环110圈以上(110圈后剩余比容量为112.7mAh g-1)。即使是在50℃的高温下,100mA g-1的电流密度循环充放电30圈后容量仍超过200 mAh g-1。对比没有特殊晶面取向的商业化Nb2O5粉末,这个工作表明晶面调控的方法可以有效改善铝电池正极材料的比容量和倍率性能。2.无负极石墨铝离子电池原位监控。因为低成本、安全和高理论容量,铝离子电池引起了越来越多人的关注,但是先前的研究主要是探索高放电平台的正极材料。因此在本章中,我们用原位拉曼和原位XRD,以及非原位TEM、SEM、EDS、XPS、AES等表征技术细致地研究了石墨铝离子电池的正、负极电化学反应。我们通过实验结果重新解释了原位XRD数据中的变化,同时结论表明正极反应是AlCl4-对石墨层的可逆不均匀插层反应,负极则是金属铝的可逆沉积反应,且原位技术监控到了首圈充电过程中SEI膜的形成。基于反应机理,我们认为铝离子电池的性能与负极的材质、质量和体积关系不大,探索了多种导电集流体直接作为负极材料的无负极石墨铝离子电池。研究表明,石墨、金属钼甚至特殊组成的不锈钢都可能成为不错的负极,这对石墨铝离子电池的大规模实际应用会有指导性的帮助。