電化學(xué)儲能技術(shù)是處理電動(dòng)汽車與可再生能源并網(wǎng)發(fā)電的關(guān)鍵。以有機(jī)溶劑為電解液的鋰離子電池在能量密度上具有優(yōu)勢，但存在安全隱患和鋰資源有限的問題。相比之下，水系非鋰離子（如鈉離子、鉀離子、鋅離子、鎂離子等）電池具有高安全和低成本等優(yōu)點(diǎn)，在儲能領(lǐng)域中具有重要應(yīng)用遠(yuǎn)景。自2013年以來，中國科學(xué)院寧波資料技術(shù)與工程研討所動(dòng)力鋰電池工程實(shí)驗(yàn)室前瞻布局了非鋰離子電池的新概念電池研討，在水系離子新概念電池基礎(chǔ)研討上取得了系列進(jìn)展。但水系離子電池的循環(huán)壽數(shù)比較有限，一般小于1000次，難以滿意規(guī)模儲能的需要。

受2015年美國斯坦福大學(xué)教授戴宏杰在Nature(2015,520,324)報(bào)道了一種新式鋁離子電池的啟發(fā)，寧波資料所動(dòng)力鋰電池工程實(shí)驗(yàn)室展開了以石墨烯為電極的鋁離子電池研討，在該工作中，科研人員選用量產(chǎn)的多層石墨烯為柔性正極、金屬鋁為負(fù)極、離子液體為電解液，構(gòu)建出具有超長循環(huán)壽數(shù)和超高倍率性能的2V鋁離子電池。研討發(fā)現(xiàn)二維片狀石墨類負(fù)極資料的厚度（層數(shù)）和橫向尺度均對AlCl4-離子的嵌入行為有重要影響。相對于層數(shù)達(dá)千層的鱗片石墨，多層石墨烯的層數(shù)極少（10層以下），可以明顯降低AlCl4-離子嵌入和擴(kuò)散的活化能，使得該電池具有超高的倍率性能，因此可在1分鐘內(nèi)完結(jié)充放電。另一方面，由更大尺度的多層石墨烯制作的電極，因?yàn)榫哂懈玫娜犴g性和石墨化度，對AlCl4-離子的重復(fù)嵌入和脫出具有更強(qiáng)的耐受才能，然后讓電池表現(xiàn)超長的循環(huán)壽數(shù)，充放電循環(huán)10000次后容量簡直無衰減。除此之外，該研討工作通過一系列的精細(xì)表征還進(jìn)一步揭示了AlCl4-離子在多層石墨烯、石墨等二維石墨類正極資料的插層化學(xué)機(jī)制，即插層離子誘導(dǎo)的四階和五階結(jié)構(gòu)變化機(jī)制。該研討工作不僅對鋁離子電池中石墨類正極資料的挑選具有重要指導(dǎo)意義，還對于發(fā)展實(shí)用化石墨烯基新式長壽數(shù)儲能電池具有較大的學(xué)術(shù)價(jià)值。

上述研討工作得到了中科院要點(diǎn)部署項(xiàng)目(KGZD-EW-T08-2)、中科院青促會(huì)項(xiàng)目(2017341)、國家自然科學(xué)基金(51404233)和浙江省自然科學(xué)基金(LY15B030004)的資助。