復旦大學新年第一篇Nature：在室溫下工作的可充電鈣氧電池

一、 【導讀】?

可充電的雙價金屬電池利用地球豐富的金屬，尤其是以鈣為代表的鈣電池和鈣-氧（Ca-O₂）電池，被認為是比鋰離子電池更經濟、更安全的替代品。鈣在地殼中豐度極高，具有較大的陽極容量和低的還原電位，使其在理論上與鋰離子電池相媲美。然而，鈣電池面臨著電解質反應、鈣離子插入電極的困難性等挑戰，限制了其實際應用。而鈣-氧電池理論上具有最高能量密度，但在室溫下的電化學可逆性較差，阻礙了其可充電性能。克服這些挑戰，實現室溫下的可充電性能，仍然是當前研究的重要課題。

二、【成果掠影】

最近，復旦大學的彭慧勝院士團隊報告一種可在室溫下充電700次的鈣-氧（Ca-O₂）電池。該電池采用高度可逆的兩電子氧化還原反應，生成具有化學反應性的過氧化鈣（CaO₂）作為放電產物。利用耐用的離子液體電解質，這種兩電子反應在室溫下得以實現，通過促進Ca金屬陽極的鍍-剝離和改進空氣陰極中的CaO₂/O₂氧化還原反應。展示了所提出的鈣-氧電池在空氣中穩定，且能制成柔軟的纖維，用于下一代可穿戴系統的紡織電池。相關成果以 “A rechargeable calcium–oxygen battery that operates at room temperature” 為題發表在Nature上。

?三、【核心創新點】

這項研究報道了一種在室溫下可重復充放電700次的鈣-氧電池，其創新性在于采用高度可逆的兩電子氧化還原反應生成具有化學反應性的過氧化鈣作為放電產物，利用耐用的離子液體電解質促進了電池性能的提升，并能制成柔軟的纖維用于可穿戴系統。

?四、【數據概覽】

圖1 在室溫下以CaO₂為主要放電產物的可充電鈣-氧電池。? 2024 Springer Nature

圖2 鈣-氧電池的陰極反應涉及可逆的兩電子氧化還原反應，形成O₂/CaO₂化學產物。 ? 2024 Springer Nature

圖3優化的電解質促進了鈣-氧電池的穩定運行。? 2024 Springer Nature

圖4鈣-氧電池適用于實際應用。 ? 2024Springer Nature

五、【成果啟示】

總的來說，該研究報道了一種可在室溫下可逆操作的鈣-氧電池。展示了主要的鈣-氧電化學反應可以依賴于高效的兩電子氧氣氧化還原反應，而不是緩慢的四電子過程。對鈣-氧電池陰極電化學的這種新理解預計將為設計和篩選新的陰極材料和電解質開辟途徑，進一步釋放鈣金屬的全部理論容量。此鈣-氧電池展示了循環穩定性，并且可以制成柔軟的纖維，用于紡織電池。相信該研究結果將把經濟實惠的鈣化學轉變為一種具有前景的可持續能源儲存技術。

原文詳情：Ye, L., Liao, M., Zhang, K. et al. A rechargeable calcium–oxygen battery that operates at room temperature. Nature 626, 313–318 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06949-x

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