近日, 中國科學院深圳先進技術研究院整合所功能薄膜材料研究中心研究員唐永炳及其研究團隊成功研發出了一種基於雙碳結構的鈣型雙離子電池. 相關研究成果A Novel Calcium-Ion Battery Based on Dual-Carbon Configuration with High Working Voltage and Long-Cycling Life 已線上發表於國際材料科學期刊Advanced Science (Advance Science, 2018, DOI: 10.1002/advs.201701082) 上.
自1991年鋰離子電池成功商業化以來, 便廣泛應用於各種電子設備, 新能源汽車以及儲能領域. 然而, 由於鋰資源的儲量有限且分布不均, 以及鋰離子電池回收困難, 造成鋰離子電池的成本逐漸升高, 難以滿足未來社會對大規模能源儲存對低成本及環保易回收方面的要求. 相對於鋰離子而言, 鈣具有相似的物理化學性質, 且儲量豐富. 此外, 鈣離子帶2個電荷, 標準氫電極電勢為-2.868V, 與鋰接近, 使得鈣離子電池有望成為下一代新型高效環保儲能器件. 但是, 在傳統有機電解液中金屬鈣表面易發生鈍化, 導致鈣離子不能像鋰離子一樣可逆沉積, 且鈣離子電池材料研發困難, 多數鈣離子電池只能在高溫下進行可逆充放電, 造成了鈣離子電池發展緩慢.
鑒於此, 唐永炳及其團隊成員吳石, 張帆等人成功研發出一種基於雙碳結構的鈣型雙離子電池. 該電池材料廉價易得並且環保, 採用膨脹石墨作為正極材料, PF 6-陰離子可以在其片層結構中可逆地嵌入/脫出; 採用中間相碳微球作為負極材料, Ca 2+可以在其片層結構中可逆地嵌入/脫出. 電解液採用基於六氟磷酸鈣做電解質的碳酸酯類電解液. 研究表明, 該鈣型雙離子電池可以在室溫下實現可逆充放電, 並且表現出優異的電化學性能: 平均工作電壓高達4.6V, 1C倍率下迴圈300圈後容量保持率為94%. 這種新型鈣離子電池結構設計為鈣離子電池的研究開拓了新思路, 也為基於多價金屬離子電池的研究提供了借鑒意義.
該項研究得到了國家自然科學基金, 廣東省科技計劃項目, 深圳市科技計劃項目等的資助.
(a) 基於雙碳結構的鈣型雙離子電池的充放電機理示意圖; (b)充放電曲線圖; (c)dQ/dV曲線圖.
