上世纪70年代以来，因具有高比能量、高比功率、低成本、长循环寿命、高安全性以及环境友好等诸多优点，钠/金属氯化物电池（又称ZEBRA电池，ZEBRA是Zero Emission Battery Research Activity的缩写）受到了广泛关注。传统ZEBRA电池采用双电解质体系，即β"-Al2O3固体电解质(BASE)和NaAlCl4熔盐电解质协同使用。由于NaAlCl4的熔点为156.7℃，且BASE仅在260℃以上才表现出较高的钠离子电导率(＞0.2 S·cm-1)，导致传统ZEBRA电池只能在较高温度范围(270～350℃)内运行。高温运行带来了一系列问题:1）高温下NaAlCl4具有较强腐蚀性，致使电池选材较为严苛;2）电池需要额外的热管理装置，增加了电池组的重量及体积，从而降低了其比能量和比功率，同时也增加了电池成本;3）电池运行过程中需消耗自身10％的能量来维持其内部温度;4）重新启动冷却的ZEBRA电池时，需耗时12～15 h对其加热以达到运行条件等等。这种种缺陷限制了传统ZEBRA电池的应用及推广。上世纪90年代，科学家们试图采用离子液体（IL）取代“BASE和NaAlCl4双电解质体系”，开发室温ZEBRA电池，但研究发现所尝试离子液体均会与金属钠发生不可避免的不良副反应，致使研究进展缓慢。　　为使ZEBRA电池得到更广泛的应用和发展，降低ZEBRA电池的运行温度显得尤为重要。据此，本文提出中温ZEBRA电池体系Na(l)/β"-Al2O3/离子液体/NaCl/MCl2（其中M为金属元素，如Fe、Ni、Cu、Zn等），将ZEBRA电池运行温度由300℃降至～150℃。该设计中采用室温离子液体代替NaAlCl4，以保证正极电解液在150℃下的流动性和高离子电导率。同时，BASE隔膜的存在可避免离子液体和金属Na直接接触发生副反应。150℃时，内阻足够小是电池正常运行并具备良好功率性能的前提条件。电池内阻包括三部分: BASE内阻，正极部分内阻，负极熔融钠和电池金属部件的电阻（可忽略）。其中，BASE隔膜的低内阻性能可通过提高BASE自身电导率，降低其厚度（本论文采用厚度为500μm的超薄BASE），或制备复合隔膜来实现。本论文对ZEBRA电池的关键材料BASE和室温离子液体进行了初步研究，以解决ZEBRA电池运行温度高的难题。　　针对BASE，本论文采用溶胶凝胶法制备出BASE前驱体粉末，通过等静压成型、高温烧结制备出样品，在制备过程中对样品进行TiO2和ZrO2掺杂改性。本文采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、真密度测试仪、电子万能试验机和四电极电导率测试法，分别表征和讨论了烧结样品的物相组成、微观结构、致密度、机械强度和离子电导率，分析TiO2掺杂和Y2O3稳定ZrO2掺杂对样品各项性能的影响及其作用机理。研究表明，适量的TiO2掺杂可改善样品的离子电导率，但掺杂过量的TiO2会促进β"-Al2O3相向β-Al2O3相转变，同时导致微观结构疏松，降低样品的机械强度和Na+电导率。在样品中掺杂ZrO2，可利用其相变增韧机理提高样品机械强度，样品机械强度随ZrO2掺杂量的增多而增大。所以，为了提高样品机械强度的同时不降低样品的电性能，本文最终采用TiO2和ZrO2进行共掺杂，二者的掺杂量对最终样品的性能有重要影响。TiO2和ZrO2的最佳共掺杂量分别为1.0 wt％和10 wt％时，样品的机械强度提高到230MPa，而β"相含量和Na+电导率仍可保持在90.54％和0.16 S·cm-1(300℃)、0.017S·cm-1(100℃)，且所有共掺杂样品的致密度都在98％以上。TiO2和ZrO2的最佳共掺杂量分别为1.0 wt％和5～10 wt％。　　针对离子液体，本文合成了1-甲基-3-乙基咪唑四氟硼酸盐(MEIBF4)离子液体、甲基磺酰氯-三氯化铝(MSC-AlCl3)体系离子液体和1-甲基-3-乙基咪唑氯-三氯化铝(MEIC-AlCl3)体系离子液体，并分别加入NaBF4和NaCl钠盐进行探索性研究。通过核磁共振氢谱(1H-NMR)和红外表征了各离子液体的分子结构，通过热失重(TG)、循环伏安法(CV)和交流阻抗法(A.C.Impedance)分别测试了各离子液体的热稳定性、电化学窗口和离子电导率。综合上述性能，本文筛选出适宜作为中温ZEBRA电池的备选离子液体电解质，并通过CV研究了Fe、Ni、Zn、Cu四种电极在其中的电化学行为，以选出合适的“电极/离子液体电解质”体系。最后，采用所选“电极/离子液体电解质”体系组装实验用平板ZEBRA全电池，并测试其相关充放电性能。　　研究表明，“NaBF4过饱和的MEIBF4（离子液体）”和“NaCl过饱和的MSC-AlCl3（离子液体）”的热稳定性，电导率和电化学窗口皆满足作为电解液的要求。但在这两种离子液体中，Ni、Fe、Zn、Cu四种电极均未能发生高库伦效率的可逆氧化还原反应，所以皆不可作为正极金属材料应用于以NaBF4过饱和的MEIBF4或NaCl过饱和的MSC-AlCl3作为正极电解液的中温ZEBRA电池中。　　在MEIC-AlCl3体系离子液体中过饱和NaCl缓冲MEIC-AlCl3（摩尔比＜1∶1）离子液体最适宜作为中温ZEBRA电池的液态电解质，其分解温度始于400℃;电化学窗口为-2.08～2.26V(vs.Al3+/Al);在15℃下的电导率为0.023 S·cm-1，随着温度的升高电导率显著增大，在150℃时达到0.247 S·cm-1，足以满足中温ZEBRA电池电解液的各项要求。在该离子液体中，Ni、Fe、Zn电极未能发生高库伦效率的可逆氧化还原反应，所以并不适于作为中温ZEBRA电池正极材料。只有Cu电极在该离子液体中存在完全可逆的氧化还原反应，且由CV曲线可知无明显副反应，可作为中温ZEBRA电池的正极材料进行研究。　　以过饱和NaCl缓冲MEIC-AlCl3为正极电解液的Na/CuCl2电池的理论比能量为751 mWh·g-1Cu，这一数值与传统高温ZEBRA电池(Na/FeCl2(728 mWh·g-1)、Na/NiCl2(785 mWh·g-1))相当，且高于部分锂离子电池的比能量值(LiFePO4(586 mWh·g-1)、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2(680 mWh·g-1))。本文在150℃下，对该电池进行了不同电流密度（2 mA·cm-2、5 mA·cm-2）下的恒流充放电测试;并通过电流中断法，测试了不同充放电状态下电池的比表面电阻(area-specificimpedance，ASI)。研究表明，Na/CuCl2电池在150℃下运行时可获得较高的首次放电比容量(285 mAh·g-1)和库伦效率(99.8％)，该电池的充电过程为两步反应，放电过程为一步反应。通过比较未涂覆和涂覆石墨的BASE分别组装的两种电池的充放电性能可知，在BASE表面涂覆石墨对其进行Na润湿性改性时，所制备电池充电过程中电极极化减小，原本的两个充电平台互相重合，而放电过程中的极化现象却并无明显改变;该电池库伦效率有所降低。电池ASI测试结果表明Na/CuCl2电池内阻较小，有可能展现出较好的功率性能;电池放电过程内阻大于充电过程，此现象可能为熔融钠在BASE表面的润湿性较差所致。此外，由于Cu矿的价格仅为Ni矿的一半，该电池成功运行后，ZEBRA电池的成本相对传统电池将会大幅下降。