近年来,由于个人电子设备和电动车辆市场需求的急剧增长,新的二次电池技术在能量存储领域中受到越来越广泛的关注。在当前主流的储能设备中,一些经过系统研究的电池系统（如商业化的锂离子电池）仍然面临包括安全性和高成本等诸多问题在内的挑战。铝由于其自身固有的安全性,无毒和高丰度（地壳中含量最高的金属元素）为铝离子电池未来的大规模应用提供了良好的可能性。此外,得益于其在充放电过程中三电子得失的特性,铝具有较高的体积能量密度（约为锂的四倍）,这使铝成为可充电金属离子电池的理想元素之一。自1800年以来,尽管无数的科研工作者已进行了许多将铝应用于电化学储能的尝试,但可充电铝离子电池的开发仍面临许多问题的阻碍,例如正极材料的分解,正极表面钝化膜的形成以及循环寿命不足等。时间来到2015年,经过多年的科学研究,斯坦福大学戴宏杰教授等人在新型铝离子电池的构建上取得了突破。他们提出了一种基于离子液体电解质和三维石墨泡沫正极的新型铝离子电池。这种铝离子电池有效地避免了电极的氢化和容量的快速衰减。近期,一些新型的正极材料,例如三维多孔石墨烯,Fe S₂,CoSe₂,SnS₂和V₂O₅等,已被证明在铝离子电池中具有合理的电化学性能。然而,这些材料在某种程度上仍不具备较高的能量密度,优异的倍率性能和长循环稳定性等。因此,开发具有优异电化学性能的新型正极材料且深入研究其充放电机理是高性能铝离子电池未来研究方向的重中之重。本文通过系统的物相表征及电化学测试对合成的碳包覆的FeS₂多级结构（FeS₂@C）,氮掺杂的MoSe₂@C纳米粒子（N-MoSe₂@C）和层状WS₂微米结构正极材料的微观结构、物相信息以及电化学性能进行深入研究,并通过多种非原位测试手段和第一性原理计算（DFT）研究其电化学反应机理。主要内容如下:（1）通过溶剂热和高温固相热处理的方法制备了碳包覆的Fe S₂多级结构。实验证明Fe S₂@C多级结构具有出色的电化学性能,在0.1 A g^-1的电流密度下,电池的放电比容量为212 mAh g^-1,当电流密度提升至10 A g^-1,电池的放电比容量也可以稳定在95 mAh g^-1。在结构稳定性方面,电池在1 A g^-1大电流密度下循环充放电1000次后放电比容量仍有～120mAh g^-1,库伦效率为100%。这主要得益于Fe S₂@C的结构优越性。均匀的碳包覆多极结构可以有效地增加电极电导率和电极与电解质之间的接触面积,促进金属离子/电子快速传输。（2）通过常温聚合反应和限域硒化处理合成了均匀的球状N-MoSe₂@C并将其首次应用于铝离子电池。N-MoSe₂@C正极展现出优越的倍率性能和循环稳定性,在1 A g^-1的高电流密度下,首次放电比容量为～140 mAh g^-1,经过5000次充放电循环后仍可以保持～190 mAh g^-1的可逆比容量,库伦效率约为100%。其优异的电化学性能可归因于以下特征:粒径较小的MoSe₂纳米粒子在氮掺杂的碳基质中均匀分布,这使得离子和电子的扩散路径更短;氮元素掺杂进一步提高了碳基质的导电性,这极大提升了载流子在电极内部的传输效率;作为一种多孔结构,复合材料内部的微孔可以有效地适应因载流子嵌入到MoSe₂层间后引起电极材料的体积膨胀。此外,非原位X射线光电子能谱（XPS）实验表征和第一性原理计算（DFT）首次证实了MoSe₂//Al电池的电化学储能机理为正极发生Al³⁺离子在MoSe₂层间的插层反应与Mo价态的可逆变化,同时负极发生AlCl₄^-离子与Al₂Cl₇^-聚阴离子之间的可逆转化反应。（3）首次通过简单的离子络合和限域硫化的方法合成了一种由超薄纳米片堆叠而成的层状WS₂微米结构。考虑到WS₂作为一种全新的正极材料且在铝电池中的储能机制尚不清楚,本文采用了理论指导实验的方法对该材料进行了系统的研究。首先,DFT结果表明电池能量存储过程理论上发生的是AlCl₄^-聚阴离子(而不是Al³⁺离子)在WS₂层间的嵌入反应。随后,通过非原位X射线衍射（XRD）和XPS实验测试进一步在实验上证实了理论计算的猜想,即充放电过程中正极发生AlCl₄^-阴离子在WS₂层间的嵌入及部分S^2-的氧化反应。将这种层状WS₂微米结构组装成软包装铝离子电池后,电池展现出可以与目前最先进的铝离子电池相媲美的电化学性能(例如,在1 A g^-1的高电流密度下循环500次后比容量稳定在119 mAh g^-1)。此外,随温度变化的充放电试验表明,在-20～70 ℃的较大温度范围内,该铝离子电池不仅可以稳定循环且具有较高的容量保持能力。