鈣金屬具有低氧化還原電位和多價性等特性，結合我國豐富的鈣資源，基於金屬鈣的電池體系在未來的能源應用中具有廣闊前景。
近日，復旦大學纖維電子材料與器件研究院、高分子科學系、先進材料實驗室、聚合物分子工程國家重點實驗室彭慧勝/王兵傑團隊，聯合王永剛、周豪慎、陸俊等合作者，創建出一種新型鈣-氧氣電池，該電池可在室溫條件下進行電化學充放電，並穩定運行700次循環，展現出高安全性和較低成本等優勢。2024年2月7日，相關成果以《室溫下可充鈣-氧氣電池》為題在線發表於《自然》主刊。
在基於金屬鈣的電池中，鈣-氧氣電池具有最高的理論能量密度, 但目前尚未實現能夠在室溫下穩定充放電的鈣-氧氣電池。其中的關鍵問題和挑戰在於，鈣金屬負極具有高電化學活性，容易導致電解液被還原分解並在電極表面形成鈍化層，使得鈣金屬負極失效；空氣正極具有高電極電勢，容易導致電解液氧化分解，正極電化學性能迅速衰退。目前仍難以找到一種能與鈣金屬負極相匹配，且能適應高電極電勢空氣正極的電解質，嚴重製約了鈣-氧氣電池的發展。
為了解決這一挑戰，團隊通過系統設計溶劑、電解質鹽以及電解質配比，成功製備出一種基於二甲基亞碸/離子液體的新型電解質，有效滿足了電池正負極的高要求，構建了可室溫工作的新型鈣-氧氣電池。
該研究發展出的鈣-氧氣電池主要由三個部分構成：金屬鈣負極、碳納米管空氣正極和有機電解質。該電池設計不僅優化了性能和成本，也兼顧了環境的可持續性與在柔性電子設備中的應用要求。其中，金屬鈣負極不僅成本較低，還具有較高的理論容量，有利於全電池實現較高的能量密度。同時，可進一步將金屬鈣負載到柔性基底上，得到柔性的金屬鈣負極，為實現柔性鈣-氧氣電池奠定基礎；電解質採用基於二甲基亞碸/離子液體體系，這種電解質在室溫下不僅表現出了高離子導率，還展示了穩定的電化學特性，顯著提升了電池的整體安全性；正極材料則採用了較為環保的碳材料，不含昂貴的貴金屬催化劑，並利用空氣中的氧氣作為反應物，有助於降低電池的製造成本。
該方法構建的鈣-氧氣電池在室溫條件下能夠實現放電產物的可逆生成和分解，支持了長達700次的充放電循環壽命。在此基礎上，該研究團隊還成功構建出同時具有高柔性和高安全性的鈣-氧氣電池，為柔性電池發展提供了新思路。
新民晚報記者 張炯強
