化石能源的使用所带来的环境问题与化石能源的日益短缺使得人们开始在新能源方面寻找出路,廉价高能量密度的电化学储能系统是新能源利用和发展的关键。铝是一种价格低廉、资源丰富的元素,将其用作电池负极时能够发生三个电子转移的氧化还原反应,理论上具有很高的能量密度。自从19世纪以来,研究者们已经多次尝试使用铝作为电化学能源材料。然而,由于铝表面有一层致密的氧化膜,且铝离子带有三个正电荷,给寻找合适的电解质和正极材料带来了很多困难,使得室温铝二次电池的研究进展缓慢。本论文主要针对室温铝二次电池五氧化二钒正极材料和离子液体电解液展开研究,并对高能量密度的铝硫电池进行了探索。本论文具体研究工作分为以下几个方面:（1）V₂O₅纳米颗粒正极材料的研究:采用一步水热合成法制备了一种原位沉积在泡沫镍基底上的V₂O₅纳米颗粒,与泡沫镍形成了一种三维结构的正极材料,可直接用作铝二次电池正极。该正极不需要添加导电剂和粘结剂,可以提高整体能量密度。三维网状结构的V₂O₅正极还能改善电解液与活性物质的接触,利于离子的传输,减少极化提高电池放电电压。这种无粘结剂的V₂O₅纳米颗粒正极初始放电容量为239mAh/g,放电电压平台约为0.6V,容量和电压都高于以聚偏氟乙烯（PVDF）和聚四氟乙烯（PTFE）为粘结剂的V₂O₅纳米线正极。（2）V₂O₅·nH₂O纳米片正极材料的研究:采用原位水热沉积方法制备了直接生长在不锈钢网上的V₂O₅·nH₂O纳米片,在300℃下热处理脱去适量的分子间水分后,得到具有优良性能的层状V₂O₅·nH₂O（n=0.3）材料。V₂O₅·nH₂O层间的水分子能够对三价的铝离子起到一定的电荷屏蔽作用,有利于铝离子在材料中的嵌入。这种超薄的纳米片结构有利于电极和电解质之间形成良好的接触,并缩短了离子的扩散路径。作为铝二次电池正极材料,V₂O₅·nH₂O纳米片在2.5-0.1V的电压范围内,100 mA/g的电流密度下,初始放电比容量为30 mAh/g,然后经历一个活化过程,稳定时放电容量约为80 mAh/g,且在100周循环后,容量几乎没有衰减。（3）离子液体电解液的研究:我们首先对铝二次电池中常用的氯化铝型咪唑基离子液体进行了研究,发现其阴离子组成和性质受到卤素离子和三氯化铝含量的影响,进一步影响其电化学性能。而后,针对氯化铝型离子液体存在的问题和局限性,设计开发了一种新型的Al（CF₃SO₃）₃/[BMIM]CF₃SO₃离子液体电解液体系。研究发现,在氯化铝型离子液体中,一方面,随着卤素按Cl→Br→I变化,其电导率降低,电化学窗口变窄,另一方面,随着AlCl₃含量的增大,离子液体中的阴离子按Cl^-→AlCl₄^-→Al₂Cl₇^-的规律变化。所以,对于氯化铝型离子液体,当阴离子中的卤素全部为氯时,具有最高的氧化分解电压（2.5 V vs.Al）和电导率。在这种全氯的离子液体中,只有Al₂Cl₇^-存在时,才能够发生铝负极的沉积和溶解反应,以此为电解液的铝二次电池才具有电化学性能。因为含Al₂Cl₇^-的氯化铝型离子液体具有腐蚀性,能够破坏铝表面致密的氧化膜,活化负极。但是,Al₂Cl₇^-含量过高会导致腐蚀性增强,铝负极表面程度增大,并影响电解液与电池其他部件的兼容性。为了解决上述电解液存在的腐蚀性问题,我们开发了一种高电压无腐蚀的Al（CF₃SO₃）₃/[BMIM]CF₃SO₃离子液体电解液。该电解液由一种新型的铝盐Al（CF₃SO₃）₃溶解在与其具有相同阴离子的1-丁基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐（[BMIM]CF₃SO₃）中制备得到。该离子液体具有很高的氧化分解电位(3.25V vs Al/Al³⁺)和优良的导电性,但是该离子液体不能除去或破坏铝表面致密的氧化膜,导致以其为电解液的铝二次电池性能受到影响。铝表面致密的氧化膜会阻碍铝离子在该离子液体中的沉积溶解。我们发现通过采用酸性氯化铝型离子液体浸泡处理铝负极的方法,可以有效的破坏铝表面致密的氧化层,使得新鲜的铝表面暴露出来,进而可用在以Al（CF₃SO₃）₃/[BMIM]CF₃SO₃离子液体或其他不能自己除去铝氧化膜的电解液构成的铝二次电池中。（4）功能化粘结剂在铝硫电池应用中的研究:将聚乙烯吡咯烷酮（PVP）作为一种功能化粘结剂用在铝硫电池中,与商用微米硫构建了具有良好充放电循环稳定性的硫正极。研究发现,PVP作为正极材料的粘结剂,在抑制充放电过程中产生的多硫化物的溶解方面具有显著的效果。与采用PTFE为粘结剂的硫正极相比,以PVP作为的粘结剂制备的硫正极,在循环过程中几乎没有容量衰减。在50 mA/g的电流密度下,以PVP为粘结剂的硫正极放电比容量高达450 mAh/g,且基本保持稳定。此外,文中首次证实了Al₂S₃作为铝二次电池正极材料的可行性。