纺织、柔性、可穿戴！复旦大学研发出室温下可充钙-氧电池

钙-氧气电池结构示意图。

复旦大学研发出新型钙-氧气电池，可在室温条件下充放电，稳定运行700次循环，具有高柔性和高安全性、较低成本等优势。这种电池还可以制成柔性纤维并进行编织，用于下一代可穿戴系统的纺织电池。

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）为题在线发表于国际学术期刊《自然》（Nature）。

前述研究由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、陆俊等合作者完成。

钙或钙的化合物被氧化，生成其他氧化物，这是钙-氧电池的基本原理。在理论上，钙-氧电池可以做到低成本、高容量。因为它在基于金属钙的电池中具有最高的理论能量密度，且我国的钙资源也相对丰富。

但实际上，很少有电解质可以同时容纳或匹配具有高还原性的钙金属负极和氧气正极。而且钙-氧电池的放电产物往往比较惰性，难以实现多次充放电。

研究人员发现，在室温下稳定充放电的钙-氧气电池面临的关键挑战在于，电解液容易被钙金属负极还原分解，并在电极表面形成钝化层，导致负极失效；而空气正极具有高电极电势，也容易导致电解液分解。人们此前未能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。

为了解决上述挑战，研究团队通过系统设计溶剂、电解质盐以及电解质配比，制备出基于二甲基亚砜/离子液体的新型电解质。

最新发展出的新型钙-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。

该电池通过使用耐用的离子液体新型电解质，在室温下促进负极的钙金属镀层剥离，并改善空气正极的氧化还原反应，实现了高度可逆的双电子反应。该电池的放电产物是过氧化钙。

研究人员表示，这一新型钙-氧气电池的设计兼顾了性能、成本、环境可持续性要求以及柔性电子设备中应用的要求。

其中，正极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；负极材料成本较低，还具有较高的理论容量；电解质在室温下表现出了高离子导率和稳定的电化学特性，提升了电池的整体安全性。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06949-x