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近日，復旦大學纖維電子材料與器件研究院、高分子科學系、先進材料實驗室、聚合物分子工程國家重點實驗室彭慧勝/王兵杰團隊，聯合王永剛、周豪慎、陸俊等合作者，創建出一種新型鈣-氧氣電池，該電池可在室溫條件下進行電化學充放電，并穩定運行700次循環，展現出高安全性和較低成本等優勢。相關成果于2月7日在線發表于《自然》。
在基于金屬鈣的電池中，鈣-氧氣電池具有最高的理論能量密度，但目前尚未實現能夠在室溫下穩定充放電的鈣-氧氣電池。其中關鍵問題和挑戰在于：鈣金屬負極具有高電化學活性，容易造成電解液被還原分解并在電極表面形成鈍化層，使得鈣金屬負極失效；空氣正極具有高電極電勢，導致電解液極易氧化分解，正極電化學性能迅速衰退。
為解決此挑戰，研究團隊通過系統設計溶劑、電解質鹽以及電解質配比，成功制備出一種基于二甲基亞砜/離子液體的新型電解質，有效滿足了電池正負極的高要求，構建了可室溫工作的新型鈣-氧氣電池。
鈣-氧氣電池結構示意圖
鈣-氧氣電池主要由金屬鈣負極、碳納米管空氣正極和有機電解質這三個部分構成，電池設計不僅優化了性能和成本，也兼顧了環境的可持續性與在柔性電子設備中的應用要求。其中，金屬鈣負極成本較低，且具有較高的理論容量，有利于全電池實現較高的能量密度。進一步將金屬鈣負載到柔性基底上，可得到柔性的金屬鈣負極，為實現柔性鈣-氧氣電池奠定基礎；電解質采用基于二甲基亞砜/離子液體體系，在室溫下表現出高離子導率及穩定的電化學特性，顯著提升了電池的整體安全性；正極材料則采用了較為環保的碳材料，不含貴金屬催化劑，并利用空氣中的氧氣作為反應物，有助于降低電池的制造成本。在此基礎上，研究團隊成功構建出兼具高柔性和高安全性的鈣-氧氣電池，為柔性電池發展提供了新思路。
鈣-氧氣電池放電產物的可逆生成和分解（左）與充放電循環穩定性（右） 圖片來源于《自然》
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