近日，沐鸣2平台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/王兵傑團隊，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🧑🏻‍🦼‍➡️，並穩定運行700次循環，展現出高安全性和較低成本等優勢。2024年2月7日，相關成果以《室溫下可充鈣-氧氣電池》（A rechargeable calcium-oxygen battery that operates at room temperature）為題在線發表於《自然》（Nature）主刊。 

此外🧖🏽‍♂️，在MSN隔室中，介孔尺寸在約3~25 nm範圍內可調，而在mPDA隔室中，介孔尺寸在約5~50 nm範圍內可調。由於兩個隔室的化學性質和介孔尺寸不同🤸🏽‍♀️，從而實現了客體在不同隔室的選擇性裝載🏇🏼，並成功建立了單顆粒級生物邏輯門。雙介孔結構可以在單個納米顆粒內實現連續的閥門開啟和物質釋放反應🚴🏼‍♂️，有利於單顆粒級邏輯系統的設計。在基於金屬鈣的電池中🤷🏿‍♀️🤼‍♂️，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。其中的關鍵問題和挑戰在於，鈣金屬負極具有高電化學活性🤍💧，容易導致電解液被還原分解並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🖱，容易導致電解液氧化分解，正極電化學性能迅速衰退☝🏽。目前仍難以找到一種能與鈣金屬負極相匹配👝，且能適應高電極電勢空氣正極的電解質🥬，嚴重製約了鈣-氧氣電池的發展。

為了解決這一挑戰，團隊通過系統設計溶劑、電解質鹽以及電解質配比🧘🏼‍♂️，成功製備出一種基於二甲基亞碸/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（附圖1）🥍。

圖1. 鈣-氧氣電池結構示意圖

該研究發展出的鈣-氧氣電池主要由三個部分構成👷🏿：金屬鈣負極🔵👩🏼‍🔬、碳納米管空氣正極和有機電解質🐈。該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，金屬鈣負極不僅成本較低🔒，還具有較高的理論容量，有利於全電池實現較高的能量密度。同時🔵，可進一步將金屬鈣負載到柔性基底上👩🏼‍🍼，得到柔性的金屬鈣負極，為實現柔性鈣-氧氣電池奠定基礎；電解質采用基於二甲基亞碸/離子液體體系，這種電解質在室溫下不僅表現出了高離子導率，還展示了穩定的電化學特性♓️，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💶，不含昂貴的貴金屬催化劑，並利用空氣中的氧氣作為反應物🎍，有助於降低電池的製造成本。該方法構建的鈣-氧氣電池在室溫條件下能夠實現放電產物的可逆生成和分解，支持了長達700次的充放電循環壽命（附圖2）。在此基礎上，該研究團隊還成功構建出同時具有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。

  圖2. 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） 

彭慧勝/王兵傑團隊博士生葉蕾、廖萌和張琨為共同第一作者🥷🏽，該研究工作得到科技部🔧、國家自然科學基金委🐔、上海市科委等項目資助和科學探索獎支持🌲。

論文鏈接🐷：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06949-x

 來源：沐鸣2平台新聞文化網