近日，复旦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。相关成果于2月7日在线发表于《自然》。
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。其中关键问题和挑战在于：钙金属负极具有高电化学活性，容易造成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，导致电解液极易氧化分解，正极电化学性能迅速衰退。
为解决此挑战，研究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。
钙-氧气电池结构示意图
钙-氧气电池主要由金属钙负极、碳纳米管空气正极和有机电解质这三个部分构成，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，金属钙负极成本较低，且具有较高的理论容量，有利于全电池实现较高的能量密度。进一步将金属钙负载到柔性基底上，可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，在室温下表现出高离子导率及稳定的电化学特性，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。在此基础上，研究团队成功构建出兼具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。
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） 图片来源于《自然》
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06949-x
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