提高发电端可再生能源和终端电能的使用比例是解决我国能源和环境问题,实现低碳发展的关键。本文提出了在发电端通过无碳铝电解技术把风能和太阳能产生的电能转化为化学能储存在金属铝中,实现可再生能源的消纳,在使用终端通过铝空气电池技术将铝中的化学能转化为电能加以利用的以铝为能量载体的能量循环过程即“电-铝-电”铝储能理念。同时在储能-应用的生命周期内与以氢为能量载体的氢储能和以锂离子电池为能量载体的电化学储能进行对比分析,结果显示铝储能具有资源丰富、基础建设投资低、使用成本低、能量载体化学稳定性高便于存储和运输等优势,是解决我国西北、华北和东北（“三北”地区）弃风弃光、提高可再生能源利用比例等问题的有效途径之一,具有良好的应用前景。此外提高铝空气电池的能量密度可以提高铝储能的能源转化效率,降低终端使用成本,提高铝空气电池的功率密度和在电解液中的抗腐蚀性可以提高铝空气电池的实用性。针对传统碱性铝空气电池功率密度低,能量密度低等问题,本文采用微极距和电解液循环流动的铝空气电池结构设计方案。降低极距不仅有利于降低电池内阻降低欧姆极化还有利于降低电极极化。升高温度可以提高反应物的活性和扩散速度,提高化学反应速率;但是也会加剧铝阳极的自腐蚀速率,降低氧气在电解液中的溶解度。提高电解液流速有利于降低浓差极化。经过优化,铝空气电池最佳工作条件为:极距0.5 mm,工作温度60℃,电解液流量为15 m L min-1。在此工作条件下峰值能量密度为3880 m Wh gAl-1,可以使铝储能的整体能量转化率提高0.5-1%,终端度电成本降低至2.22元/度。纯氧气氛可以降低浓差极化,有利于电池在高功率密度的时候维持高的能量密度,但是会稍微降低阳极电流效率。在纯氧气氛下,电池的峰值功率密度可达545 m W cm-2,阳极电流效率达96.2%;综合考虑功率密度和能量密度,最优输出功率密度为431 m W cm-2,对应的能量效率为42.6%。由于传统碱性铝空气电池的工作电压通常低于1.6 V,所以能量密度总是低于4000 m Wh gAl-1,能量效率还不及理论值的一半。为了进一步提高铝空气电池的能量密度,提高其工作电压是关键。本文通过解耦铝空气电池的阴极反应和阳极反应,以隔膜将阴极电解液和阳极电解液隔开,使阴极反应和阳极反应分别在酸性条件和碱性条件下进行,构筑酸碱双电解液铝空气电池。通过该设计,铝空气电池的理论电压从传统碱性单电解液的2.71 V提高到3.54 V,阴离子交换膜酸碱双电解液铝空气电池的开路电压可达2.57 V,在10 m A cm-2放电时电压约2.08 V,能量密度可达4591 m Wh gAl-1,优于现有技术,可使铝储能整体能量转化效率可以提高到3.84-14.76%,同样可以使终端度电成本降至1.88元/度,远低于锂离子电池储能成本。本文的研究结果揭示了酸碱双电解液铝空气电池的影响因素及衰减机理,通过电解液循环可避免因电解液p H值变化而放电性能下降,提高电池稳定性。由于在传统碱性电解液中,铝阳极的放电反应和析氢反应是竞争反应,因此铝空气电池不宜在低电流密度下长时间运行,同时在工作间隙,为了避免自腐蚀,需要将电解液排空或置换,增加了能耗且使操作繁琐,降低了其实用性。为了解决这一问题,本文探索了以离子液体为阳极电解液的双电解液铝空气电池设计,该设计解决了铝阳极在低电流密度下或开路工况下的自腐蚀,同时碱性阴极电解液的使用便于放电产物在阴极电解液室的回收,同时也规避了单离子液体铝空气电池沉淀堵塞空气阴极的问题。分析了离子液体基双电解液铝空气电池的工作机制,发现铝空气电池的放电电压随Al3+解离活化能的降低呈线性升高,证明了Al3+解离是铝空气电池放电性能的控制步骤。采用多孔铝箔作为阳极可以增大反应面积,提高放电电流密度和功率密度。本文还测试了离子液体基双电解液铝空气电池的可充电性。尽管由于空气阴极氧析出-氧还原可逆性差,使其充放电循环性能较差,但是基于离子液体阳极电解液的双电解液铝空气电池设计为可充电式铝空气电池提供了思路和参考。综上所述,本文结合我国资源分布的实际情况从技术、经济、环境等多方面论证了铝储能作为一种新型的有潜力的可再生能源消纳方式的可行性和必要性。针对铝空气电池技术在铝储能应用中存在的问题进行了高功率化、高能量化和稳定化研究,为其大规模推广应用提供了技术基础。