復(fù)旦大學研發(fā)出新型鈣-氧氣電池，可在室溫條件下充放電，穩(wěn)定運行700次循環(huán)，具有高柔性和高安全性、較低成本等優(yōu)勢。這種電池還可以制成柔性纖維并進行編織，用于下一代可穿戴系統(tǒng)的紡織電池。
2月7日，相關(guān)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(fā)表于國際學術(shù)期刊《自然》（Nature）。
鈣-氧氣電池結(jié)構(gòu)示意圖。
前述研究由復(fù)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/王兵杰團隊，聯(lián)合王永剛、周豪慎、陸俊等合作者完成。
鈣或鈣的化合物被氧化，生成其他氧化物，這是鈣-氧電池的基本原理。在理論上，鈣-氧電池可以做到低成本、高容量。因為它在基于金屬鈣的電池中具有最高的理論能量密度，且我國的鈣資源也相對豐富。
但實際上，很少有電解質(zhì)可以同時容納或匹配具有高還原性的鈣金屬負極和氧氣正極。而且鈣-氧電池的放電產(chǎn)物往往比較惰性，難以實現(xiàn)多次充放電。
研究人員發(fā)現(xiàn)，在室溫下穩(wěn)定充放電的鈣-氧氣電池面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于，電解液容易被鈣金屬負極還原分解，并在電極表面形成鈍化層，導(dǎo)致負極失效；而空氣正極具有高電極電勢，也容易導(dǎo)致電解液分解。人們此前未能找到一種能與鈣金屬負極相匹配，且能適應(yīng)高電極電勢空氣正極的電解質(zhì)。
為了解決上述挑戰(zhàn)，研究團隊通過系統(tǒng)設(shè)計溶劑、電解質(zhì)鹽以及電解質(zhì)配比，制備出基于二甲基亞砜/離子液體的新型電解質(zhì)。
最新發(fā)展出的新型鈣-氧氣電池主要由三個部分構(gòu)成：金屬鈣負極、碳納米管空氣正極和有機電解質(zhì)。
該電池通過使用耐用的離子液體新型電解質(zhì)，在室溫下促進負極的鈣金屬鍍層剝離，并改善空氣正極的氧化還原反應(yīng)，實現(xiàn)了高度可逆的雙電子反應(yīng)。該電池的放電產(chǎn)物是過氧化鈣。
研究人員表示，這一新型鈣-氧氣電池的設(shè)計兼顧了性能、成本、環(huán)境可持續(xù)性要求以及柔性電子設(shè)備中應(yīng)用的要求。
其中，正極材料不含昂貴的貴金屬催化劑，并利用空氣中的氧氣作為反應(yīng)物；負極材料成本較低，還具有較高的理論容量；電解質(zhì)在室溫下表現(xiàn)出了高離子導(dǎo)率和穩(wěn)定的電化學特性，提升了電池的整體安全性。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06949-x
本文鏈接：紡織、柔性、可穿戴！復(fù)旦大學研發(fā)出室溫下可充鈣-氧電池http://www.lensthegame.com/show-11-2884-0.html
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