由于铝是地壳中含量最丰富的金属元素,加上有三个电子参与氧化还原反应,使得可充电铝离子电池的研发备受关注。然而由于其电荷密度大,导致基于脱嵌反应机理的大部分正极材料在铝离子电池领域受到限制,因此寻找基于转化反应机理的铝离子电池的正极材料,特别是比容量高、能量密度高、循环性能好且含量丰富的正极材料,是铝离子电池领域的新方向。作为无机材料,碘单质在海水中含量丰富(50-60μg_iodine/L_ocean),成本远低于Ni,Co,V等稀有金属,通过计算发现,其理论比容量可达211mAh/g,高于碳材料对应的铝离子电池（66 mAh/g）,其理论工作电压在1.21 V,使得碘成为有潜力的铝离子电池正极材料。近年来,已有文献相继报道了Al/I₂一次电池,然而,由于碘在电解液里面的溶解,使得Al/I₂电池无法进行可逆的充放电,本文针对Al/I₂电池不可逆的关键问题,从原料入手,经过后续的电化学性能改善,制备得到了电化学性能优异的Al/I₂二次电池,主要研究内容如下:以聚乙烯吡咯烷酮碘（PVPI）作为碘正极材料,离子液体为电解液,首次报道了可充放电的Al/I₂二次电池。红外测试表明,PVPI中PVP和I之间存在氢键的作用,所以能够有效地抑制碘及其放电产物在电解液里面的溶解。相关测试表明,整个电池体系发生的是I₃^-和I^-之间的氧化还原反应,这种独特的反应机理避免了在充放电的过程中,由于离子脱嵌造成材料结构被破坏的问题,获得了比较稳定的电池体系。在0.2 C的条件下,该电池体系的放电比容量可达到201.2 mAh/g,1C的倍率下,循环可达到150多圈。尽管前述制备了Al/I₂二次电池,但由于碘的导电性差,该电池体系面临地如倍率性能差,循环不稳定等缺点。本文接着以活性碳布（ACC）为基底,利用溶液吸附和冷冻干燥法成功制备出三维自支撑的ACC/PVPI复合材料,三维结构的ACC使复合材料具有良好的导电性,其微孔结构对活性物质强劲的吸附作用有助于改善循环性能。这些特点使得该材料成为理想的电极材料,并成功地应用在Li/I₂,Mg/I₂等碘电池领域,用作Al/I₂电池正极时,0.2 C的条件下,经过150多次循环后,比容量保持在180.1 mAh/g,即使在1 C的条件下,经过1050次循环,比容量也可以稳定在102.7 mAh/g,在已报道的Al离子电池中,该电池体系的电化学性能居于前列。此外,本文通过第一性原理计算的方式,首次系统地研究金属碘电池的工作原理,发现优异的电化学性能的确受益于氢键的作用,并揭示了金属碘电池转化反应的具体过程。