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室温下可充钙-氧电池,成果《自然》主刊发表

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2024-02-18 11:44:03



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。2024年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《自然》(Nature)主刊。


室温下可充钙-氧电池,成果《自然》主刊发表


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。其中的关键问题和挑战在于,钙金属负极具有高电化学活性,容易导致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,容易导致电解液氧化分解,正极电化学性能迅速衰退。目前仍难以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,严重制约了钙-氧气电池的发展。


为了解决这一挑战,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(附图1)。


钙-氧气电池结构示意图

图1. 钙-氧气电池结构示意图


该研究发展出的钙-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,金属钙负极不仅成本较低,还具有较高的理论容量,有利于全电池实现较高的能量密度。同时,可进一步将金属钙负载到柔性基底上,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,这种电解质在室温下不仅表现出了高离子导率,还展示了稳定的电化学特性,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,不含昂贵的贵金属催化剂,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。


该方法构建的钙-氧气电池在室温条件下能够实现放电产物的可逆生成和分解,支持了长达700次的充放电循环寿命(附图2)。在此基础上,该研究团队还成功构建出同时具有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2. 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)


彭慧胜/王兵杰团队博士生叶蕾、廖萌和张琨为共同第一作者,该研究工作得到科技部、国家自然科学基金委、上海市科委等项目资助和科学探索奖支持。


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



来源:复旦大学官网,爱科会易仅用于学术交流






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。2024年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《自然》(Nature)主刊。


室温下可充钙-氧电池,成果《自然》主刊发表


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。其中的关键问题和挑战在于,钙金属负极具有高电化学活性,容易导致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,容易导致电解液氧化分解,正极电化学性能迅速衰退。目前仍难以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,严重制约了钙-氧气电池的发展。


为了解决这一挑战,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(附图1)。


钙-氧气电池结构示意图

图1. 钙-氧气电池结构示意图


该研究发展出的钙-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,金属钙负极不仅成本较低,还具有较高的理论容量,有利于全电池实现较高的能量密度。同时,可进一步将金属钙负载到柔性基底上,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,这种电解质在室温下不仅表现出了高离子导率,还展示了稳定的电化学特性,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,不含昂贵的贵金属催化剂,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。


该方法构建的钙-氧气电池在室温条件下能够实现放电产物的可逆生成和分解,支持了长达700次的充放电循环寿命(附图2)。在此基础上,该研究团队还成功构建出同时具有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2. 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)


彭慧胜/王兵杰团队博士生叶蕾、廖萌和张琨为共同第一作者,该研究工作得到科技部、国家自然科学基金委、上海市科委等项目资助和科学探索奖支持。


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



来源:复旦大学官网,爱科会易仅用于学术交流