鋰離子電池，得益于其穩(wěn)定優(yōu)異的儲(chǔ)能特性，已廣泛應(yīng)用于各類(lèi)便攜電子產(chǎn)品。隨著其能量、功率密度的提升，近年來(lái)，越來(lái)越多地應(yīng)用于電動(dòng)車(chē)、智能電網(wǎng)等能量密集型領(lǐng)域。然而，隨著市場(chǎng)需求的進(jìn)一步提高，尤其是電動(dòng)車(chē)對(duì)長(zhǎng)續(xù)航的持續(xù)需求，逼近理論極限的傳統(tǒng)鋰離子電池已漸露疲態(tài)。堿金屬負(fù)極具有較低的理論電位和較高的理論容量（如：鋰金屬負(fù)極質(zhì)量容量約為3855 mAh g-1，相當(dāng)于商業(yè)化石墨負(fù)極的10倍以上），在高比能能量存儲(chǔ)領(lǐng)域（>350 Wh kg-1）展現(xiàn)重要潛力。盡管偶爾有報(bào)道聲稱(chēng)研發(fā)出比能量密度大于350 Wh kg-1的單體電池，但受限于枝晶生長(zhǎng)、熱失控等安全問(wèn)題，短期內(nèi)其大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用仍不太現(xiàn)實(shí)。相比鋰而言，鈣金屬具有更廣的豐度、更高的安全性和更和諧的環(huán)境友好性，更重要的是二者具相近的理論還原電位（Li, -3V vs. Ca, -2.9 V）；而且等物質(zhì)量的離子，鈣離子能傳輸更多的電荷，也就意味著更大的理論容量。令人遺憾的是，受限于極易退化的電化學(xué)沉積/剝離過(guò)程，鈣金屬電化學(xué)氧化/還原過(guò)程極不穩(wěn)定，伴隨著失控陰離子腐蝕和大幅度的極化電位漂移。究其原因，主要在于缺少合適的電解液體系及與之匹配的穩(wěn)定電極-電解液界面——固態(tài)電解質(zhì)中間相。
有鑒于此，中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院王成新教授團(tuán)隊(duì)首次引入Na/Ca復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)中間相，用于解決鈣金屬在電化學(xué)沉積/剝離過(guò)程中的失控氟化和沉積電位漂移現(xiàn)象；如下圖所示為核心思想示意圖，通過(guò)在鈣金屬表面形成穩(wěn)定、致密的Na/Ca復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)中間相界面保護(hù)層，從而成功遏制電導(dǎo)絕緣性CaF2不斷形成。
本文核心思想簡(jiǎn)圖
通過(guò)Na/Ca復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)中間相保護(hù)層的引入，鈣/鈣對(duì)稱(chēng)電池的電化學(xué)沉積/剝離過(guò)程從幾十小時(shí)提升至上千小時(shí)以上；基于此鈣負(fù)極和自支撐膨化石墨化碳膜正極的鈣金屬電池，在300 mA g-1的充放電倍率和2.0-4.5 V的電壓窗口下，可以穩(wěn)定循環(huán)1900次，容量持有率保持在83%，該工作目前是關(guān)于高電壓鈣金屬電池領(lǐng)域的首次報(bào)道（>4V）。相關(guān)內(nèi)容以“Hybrid Solid Electrolyte Interphases Enabled Ultralong Life Ca-Metal Batteries Working at Room Temperature”為題，以封面的文章（back cover）的形式發(fā)表在材料領(lǐng)域的重要期刊Advanced Materials上，其中宋華偉研究員為第一作者，王成新教授為通訊作者，該工作獲得國(guó)家自然科學(xué)基金和中山大學(xué)高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)等項(xiàng)目的大力資助。
