复旦大学新年第一篇Nature：在室温下工作的可充电钙氧电池

一、【导读】

可充电的双价金属电池利用地球丰富的金属，尤其是以钙为代表的钙电池和钙-氧（Ca-O₂）电池，被认为是比锂离子电池更经济、更安全的替代品。钙在地壳中丰度极高，具有较大的阳极容量和低的还原电位，使其在理论上与锂离子电池相媲美。然而，钙电池面临着电解质反应、钙离子插入电极的困难性等挑战，限制了其实际应用。而钙-氧电池理论上具有最高能量密度，但在室温下的电化学可逆性较差，阻碍了其可充电性能。克服这些挑战，实现室温下的可充电性能，仍然是当前研究的重要课题。

二、【成果掠影】

最近，复旦大学的彭慧胜院士团队报告一种可在室温下充电700次的钙-氧（Ca-O₂）电池。该电池采用高度可逆的两电子氧化还原反应，生成具有化学反应性的过氧化钙（CaO₂）作为放电产物。利用耐用的离子液体电解质，这种两电子反应在室温下得以实现，通过促进Ca金属阳极的镀-剥离和改进空气阴极中的CaO₂/O₂氧化还原反应。展示了所提出的钙-氧电池在空气中稳定，且能制成柔软的纤维，用于下一代可穿戴系统的纺织电池。相关成果以 “A rechargeable calcium–oxygen battery that operates at room temperature” 为题发表在Nature上。

三、【核心创新点】

这项研究报道了一种在室温下可重复充放电700次的钙-氧电池，其创新性在于采用高度可逆的两电子氧化还原反应生成具有化学反应性的过氧化钙作为放电产物，利用耐用的离子液体电解质促进了电池性能的提升，并能制成柔软的纤维用于可穿戴系统。

四、【数据概览】

图1在室温下以CaO₂为主要放电产物的可充电钙-氧电池。© 2024 Springer Nature

图2钙-氧电池的阴极反应涉及可逆的两电子氧化还原反应，形成O₂/CaO₂化学产物。 © 2024 Springer Nature

图3优化的电解质促进了钙-氧电池的稳定运行。© 2024 Springer Nature

图4钙-氧电池适用于实际应用。 © 2024Springer Nature

五、【成果启示】

总的来说，该研究报道了一种可在室温下可逆操作的钙-氧电池。展示了主要的钙-氧电化学反应可以依赖于高效的两电子氧气氧化还原反应，而不是缓慢的四电子过程。对钙-氧电池阴极电化学的这种新理解预计将为设计和筛选新的阴极材料和电解质开辟途径，进一步释放钙金属的全部理论容量。此钙-氧电池展示了循环稳定性，并且可以制成柔软的纤维，用于纺织电池。相信该研究结果将把经济实惠的钙化学转变为一种具有前景的可持续能源储存技术。

原文详情：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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