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深圳先进院研发出可在室温下稳定工作的新型钙离子电池
作者: 发表时间:2019年03月20日

 

 

  2018年4月,中国科学院深圳先进技术研究院集成所功能薄膜材料研究中心唐永炳研究员及其研究团队联合清华-伯克利深圳学院、中科院金属所沈阳材料科学国家研究中心成会明研究员研发出一种高性能的钙离子电池。他们通过对电池结构的创新,使钙离子电池具有全新的电化学反应机理,并实现了室温下稳定的充放电反应。相关研究结果以“基于钙-锡合金化反应的室温下稳定运行的高电压钙离子电池”为题发表于《自然·化学》上,并申请了中国发明专利(201710184368.1)和PCT专利(PCT/CN2017/078203)。

  在碱土金属元素中,钙具有极化低、标准电极电势与锂接近、离子为+2价、储量丰富、成本较低的优点,因此,钙离子电池具有成为高效低成本储能电池的潜力。

  该团队通过研究二元相图后发现钙与钠、锌、锡等多种金属能形成合金相,进一步对多种金属负极在含有Ca(PF6)2的碳酸酯类电解液中的充放电特性进行了研究,发现锡在钙离子电解液中具有较好的可逆反应和比容量,在首次充电过程中电解液中的钙离子和锡负极发生合金化反应形成Ca-Sn6合金,放电时Ca-Sn6发生去合金化反应。理论模拟计算与原位电化学应力测试表明,钙和锡在Ca-Sn6合金相中的四种成键情形都具有较低的结合能,而且钙离子嵌入锡负极时的电化学应力为压应力,这种压应力不仅有助于维持材料的结构稳定而且在钙离子嵌入/脱出过程中有良好的可逆性。

  基于上述发现,该团队提出了一种新型的钙离子电池:以锡箔作为负极与钙离子发生可逆合金化反应,同时采用活性材料与集流体的一体化设计;以石墨作为正极实现阴离子(PF6-)的可逆插层/脱嵌反应;溶有六氟磷酸钙、具有5V耐高压特性的碳酸酯类溶剂为电解液。该钙离子电池具有优异的电化学性能,平均放电中压高达4.45V,在室温下循环350圈后的容量保持率大于95%。

  该工作拓展了钙离子电池体系,丰富了钙离子电池体系中正极、负极、电解液等关键材料的选择范围,对基于多价态离子的新型储能器件的研究与开发具有重要借鉴意义。

  论文DOI:10.1038/s41557-018-0045-4

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