Angew. Chem. Int. Edit. 室溫鈣金屬電池

金也 3年前 (2020-04-17) 3934瀏覽

【背景與研究進展】

目前除了最先進的鋰離子電池外，鈣金屬電池（CMBs）由于具有高能量、高性價比也受到了研究者的廣泛關注。然而，鈣金屬負極可逆性差、壽命短等問題嚴重阻礙了室溫CMBs的發展。

近日，中科大焦淑紅老師團隊在國際著名雜志Angew. Chem. Int. Edit.上發表了一篇題目為“Electrolyte Solvation Manipulation Enables Unprecedented Room-Temperature Calcium Metal Batteries”的文章，報道了一種獲得高性能室溫鈣金屬電池的溶劑化調控策略。作者通過將鋰鹽引入Ca(BH4)2-THF電解液中，減少了鈣離子第一溶劑化殼層的氧配位數，同時改善了電解液中鈣離子去溶劑化的動力學過程。基于這個策略，鈣金屬負極的嵌入/脫出的可逆性得到了很大提高，所制備的鈣離子電池的最高庫侖效率（CE）達到99.1%，并在室溫下循環200次以上，表現出了穩定的循環性能。

【圖文簡介】

圖1

a） Ca(BH4)2-LiBH4-THF和Ca(BH4)2-THF電解液在1 mA cm-2和0.5 mA h cm-2下對Ca || Au和Ca ||Cu電池的CE值；

b-c）Au電極上的Ca(BH4)2-THF電解液和Ca(BH4)2-LiBH4-THF電解液循環電壓-容量曲線。

圖2

a-b）Ca(BH4)2-LiBH4-THF電解液在0.25 mA cm-2和0.5 mA cm-2下的Ca鍍層形貌；

c） EDX法測定電鍍鈣的元素分布；

d） Ca(BH4)2-LiBH4-THF電解液中沉積物的XPS深度剖面分析。

圖3

a） 兩種電解質的43Ca NMR譜；

b）純Ca(BH4)2-THF電解液和Ca(BH4)2-LiBH4-THF電解液的模擬化學位移；

c）Ca(BH4)2-THF和d）Ca(BH4)2-LiBH4-THF電解質的模擬局部結構。顏色：Ca（綠色）；O（紅色）；Li（紫色）；C（灰色）；B（粉色）。

圖4

a） Ca(BH4)2-LiBH4-THF電解液在0.2 C（1 C=175 mAh g-1）恒電流循環下，在Ca || LTO全電池中LTO正極材料的放電比容量；

b） Ca | | LTO全電池的電壓容量曲線（部分循環周數）。

【小結】

綜上所述，研究者提出了一種簡單有效的策略來顯著提高鈣金屬負極的可逆性。通過調節鈣離子的溶劑化結構，實現了鈣金屬的室溫可逆嵌入/脫出。LiBH4鹽的加入顯著降低了鈣離子第一溶劑化殼層中的氧配位數，從而降低了電解液的去溶劑化能。在Ca(BH4)2-LiBH4-THF電解液中，恒電流鈣嵌入/脫出工藝具有很高的可逆性，CE高達99.1%，并且在200個循環中具有非常穩定的長壽命。Ca | | LTO全電池在200次循環后提供高容量保持率（~80%），表明Ca(BH4)2-LiBH4-THF電解質在實際應用中具有很大的可行性。這項工作為實際鈣金屬電池的非水電解液優化設計提供了一種有效的策略。 ?

文獻鏈接：Electrolyte Solvation Manipulation Enables Unprecedented Room-Temperature Calcium Metal Batteries, 2020, Angew. Chem. Int. Edit. DOI: 10.1002/anie.202002274.

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