用于电化学储能的铝离子电池（AIBs）具有相对较高的理论比容量、重量轻、零污染、安全、价格低廉和资源丰富等优点，因此是相对较新的研究热点。特别是，3电子氧化还原反应使得AIBs具有实现超快充放电速度的潜力，成为高功率密度可充电电池的最有希望的候选者。为此，总结了AIBs的最新进展以及相应的机遇，挑战和潜在的研究方向（图1）。介绍了AIBs的原理，包括铝的性质，电化学反应和组成部件。基于电化学反应和部件，从不同角度梳理了AIBs的挑战和前景，包括阳极的设计和保护，电解质的开发和改性以及阴极材料的选择和制备。根据AIBs和现有电极材料的要求，全面讨论如何获得高性能的绿色低成本正极材料。
 

图1 铝离子电池的机遇，挑战和潜在研究方向。
 

       铝离子电池正极、电解液和负极对应的三大挑战如图2所示。包括大规模、低成本正极材料的制备、廉价新型电解液的研发和负极枝晶和腐蚀问题的解决。
 

图2 铝空气电池的挑战。
 

       目前常见的几种铝空气电池正极材料综合比较如图3所示。比较了碳、过渡金属化合物和复合材料正极的成本、能量密度、功率密度、环境友好性和循环稳定性，确定碳材料最具应用潜力。
 

图3 碳、过渡金属化合物和复合材料正极的特征比较。
 

       最具应用潜力的碳材料中，比较了金属有机骨架碳、聚合物碳和可持续碳的成本、能量密度、功率密度、环境友好性和循环稳定性，突出了可持续性碳材料的优势（图4）。
 

图4 金属有机骨架碳、聚合物碳和可持续碳的特征比较。
 

       根据知网储能、电子设备和电动汽车的应用需求，展望了铝离子电池的设计和装配（图5）。生物碳材料、多孔负极和混合离子电池可能是将来铝离子电池研究的重点。
 

图5 实际应用高性能AIBs的设计和装配。
 

       Xiaolong Xu, Kwan San Hui, Kwun Nam Hui, Jianxing Shen, Guowei Zhou, Jinhua Liu, Yucheng Sun, Engineering Strategies for Low-Cost and High-Power Density Aluminum-Ion Batteries,Chemical Engineering Journal, 2021, DOI:10.1016/j.cej.2021.129385
 

       作者信息：

       论文第一作者（第一通讯作者）徐小龙博士毕业于北京工业大学，师承于汪浩教授；现为齐鲁工业大学（山东省科学院）材料科学与工程学院直聘副教授，Frontiers in Materials期刊审稿编辑。理论研究方面：从事于电化学储能材料和器件的研究，主要包括金属有机框架、电池材料、碳材料、金属空气电池、金属离子电池和铅酸电池等；应用研究方面：从事于商业化磷酸铁锂正极材料的改性、废旧锂离子电池回收处理和铅酸电池负极改性等研究。在Materials Horizons、Nano-Micro Letters、Chemical Engineering Journal、Journal of Cleaner Production、Journal of Energy Chemistry等国际期刊发表论文30余篇，H因子为11。