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图 钙-氧气电池结构示意图
在国家自然科学基金项目（批准号：T2321003、T2222005）等资助下，复旦大学彭慧胜教授、王兵杰教授与浙江大学陆俊教授、南京大学周豪慎教授等合作，研发出一种新型钙-氧气电池，该电池可在室温下进行电化学充放电，并稳定运行700次循环，展现出高安全性和低成本等优势。相关研究成果以“室温下可充电的钙-氧气电池（A rechargeable calcium-oxygen battery that operates at room temperature）”为题，于2024年2月7日发表于《自然》（Nature）杂志，论文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06949-x。
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，但目前的钙-氧气电池尚未实现在室温下稳定充放电。其关键挑战在于，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。
研究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。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电导率，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。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。