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日渐增多的能源消耗,尤其是化石能源的大量使用,造成了全球环境和气候的恶化,所以当下亟需加快研发基于电化学能源储存体系的清洁能源。目前,由于成本和安全问题,传统锂离子电池已经不能满足眼下日益增长的市场需求,开发价格低廉、能量密度高、安全性能好的新型二次电池体系迫在眉睫。近年来,铝电池成为研究热点,原因主要在于:首先,铝是地壳中含量最高的金属元素(82000ppm),其含量远高于锂(18ppm),所以铝电池可持续性好且成本较低。其次,相较于锂的高活性,铝在大气中可以稳定存在,为铝电池提供了安全保障。再次,得益于铝的三电子氧化还原反应,铝金属的理论体积比容量高达8034mA h cm-3,大约是锂(2080 mAh cm-3)的四倍。但是,铝离子电荷密度较高,在电极材料中嵌入/脱出时会受到强烈的静电相互作用,离子扩散受到阻碍,并且该过程会严重破坏电极结构,所以适用于铝电池的正极材料有限。本文基于静电自组装技术、溶剂热法合成了镍铁双金属层状氢氧化物/还原氧化石墨烯(NiFe-LDH/rGO)、纳米多孔硒化锰微球、锌锰双金属硒化物,三者用作铝电池正极材料均表现出良好的电化学性能,具体内容如下:1.以水热法制备由纳米薄片组成的三维NiFe-LDH微球,借助静电自组装技术在NiFe-LDH微球上包裹石墨烯。NiFe-LDH具有较大的晶面间距,能够储存较多的铝离子,引入石墨烯能够增强主体材料的结构稳定性,从而提升其循环稳定性。研究得出,在NiFe-LDH/rGO的循环过程中,出现了 Al3+的可逆嵌入/脱嵌和多电子氧化还原反应。在1 A g-1的电流密度下,NiFe-LDH/rGO经过100次充放电循环后的可逆比容量为131 mA h g-1,库伦效率接近100%。2.通过溶剂热法合成由纳米颗粒组成的多孔α-MnSe微球,纳米结构和多孔特性不仅能够改善α-MnSe的电化学动力学,还能有效缓解活性材料的体积变化。研究发现,α-MnSe表现出典型的赝电容行为,Al3+作为客体离子在α-MnSe正极中可逆嵌入/脱嵌。以α-MnSe为正极的铝电池,在0.2Ag-1的电流密度下,放电比容量高达408 mA h g-1;在1 Ag-1的高电流密度下循环150次,放电比容量保持131 mA h g-1,库伦效率为97%。3.采用溶剂热法合成了锌锰双金属硒化物ZnMn-Se,利用二者的协同效应增强铝电池正极材料的循环和倍率性能。ZnSe纳米颗粒紧密均匀地覆盖在MnSe微米立方体表面,提升了 MnSe微米立方体的结构稳定性,缓解了 MnSe循环过程中产生的应力,增加了活性材料的比表面积。两相异质结构引入的相界面可降低离子扩散能垒,有利于加速铝电池正极的反应动力学。实验结果表明,用作铝电池正极材料时,ZnMn-Se展现出良好的储铝性能,电流密度为1A g-1时经过100次充放电循环后,ZnMn-Se的放电比容量仍保持在148 mA h g-1,库伦效率接近100%。