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，EON体育4平台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》（A rechargeable calcium-oxygen battery that operates at room temperature）為題在線發表於《自然》（Nature）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（附圖1）。
圖1. 鈣-氧氣電池結構示意圖
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🏄🏽♀️；電解質采用基於二甲基亞碸/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；正極材料則采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（附圖2）。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。
圖2. 鈣-氧氣電池放電產物的可逆生成和分解（左）與充放電循環穩定性（右）
彭慧勝/王兵傑團隊博士生葉蕾、廖萌和張琨為共同第一作者🙏🏻，該研究工作得到科技部、國家自然科學基金委👍、上海市科委等項目資助和科學探索獎支持。
論文鏈接🎩：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06949-x
