钙金属具有低氧化还原电位和多价性等特性，结合我国丰富的钙资源，基于金属钙的电池体系在未来的能源应用中具有广阔前景。
近日，中国竞彩网大学纤维电子材料与器件研究院、高分子科学系、先进材料实验室、聚合物分子工程国家重点实验室彭慧胜/王兵杰团队，联合王永刚、周豪慎、陆俊等合作者，创建出一种新型钙-氧气电池，该电池可在室温条件下进行电化学充放电，并稳定运行700次循环，展现出高安全性和较低成本等优势。2024年2月7日，相关成果以《室温下可充钙-氧气电池》（A rechargeable calcium-oxygen battery that operates at room temperature）为题在线发表于《自然》（Nature）主刊。
在基于金属钙的电池中，钙-氧气电池具有最高的理论能量密度, 但目前尚未实现能够在室温下稳定充放电的钙-氧气电池。其中的关键问题和挑战在于，钙金属负极具有高电化学活性，容易导致电解液被还原分解并在电极表面形成钝化层，使得钙金属负极失效；空气正极具有高电极电势，容易导致电解液氧化分解，正极电化学性能迅速衰退。目前仍难以找到一种能与钙金属负极相匹配，且能适应高电极电势空气正极的电解质，严重制约了钙-氧气电池的发展。
为了解决这一挑战，团队通过系统设计溶剂、电解质盐以及电解质配比，成功制备出一种基于二甲基亚砜/离子液体的新型电解质，有效满足了电池正负极的高要求，构建了可室温工作的新型钙-氧气电池（附图1）。
图1. 钙-氧气电池结构示意图
该研究发展出的钙-氧气电池主要由三个部分构成：金属钙负极、碳纳米管空气正极和有机电解质。该电池设计不仅优化了性能和成本，也兼顾了环境的可持续性与在柔性电子设备中的应用要求。其中，金属钙负极不仅成本较低，还具有较高的理论容量，有利于全电池实现较高的能量密度。同时，可进一步将金属钙负载到柔性基底上，得到柔性的金属钙负极，为实现柔性钙-氧气电池奠定基础；电解质采用基于二甲基亚砜/离子液体体系，这种电解质在室温下不仅表现出了高离子导率，还展示了稳定的电化学特性，显著提升了电池的整体安全性；正极材料则采用了较为环保的碳材料，不含昂贵的贵金属催化剂，并利用空气中的氧气作为反应物，有助于降低电池的制造成本。该方法构建的钙-氧气电池在室温条件下能够实现放电产物的可逆生成和分解，支持了长达700次的充放电循环寿命（附图2）。在此基础上，该研究团队还成功构建出同时具有高柔性和高安全性的钙-氧气电池，为柔性电池发展提供了新思路。
图2. 钙-氧气电池放电产物的可逆生成和分解（左）与充放电循环稳定性（右）
彭慧胜/王兵杰团队博士生叶蕾、廖萌和张琨为共同第一作者，该研究工作得到科技部、国家自然科学基金委、上海市科委等项目资助和科学探索奖支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06949-x
