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王成新/田非AFM: 顯著增強(qiáng)鈣金屬電池存儲(chǔ)能力的電解液優(yōu)化和相間調(diào)節(jié)

電解液溶劑、鹽分、添加劑直接決定了電壓極限、安全可靠性、溫度極限等多項(xiàng)電池指標(biāo)。在鈣金屬電池中，需要合適的電解液和中間相來實(shí)現(xiàn)可逆的鈣電鍍/剝離，這對于室溫下的F基鹽來說是一個(gè)挑戰(zhàn)。

在此，中山大學(xué)王成新教授、田非教授等人通過改變1 M NaPF₆在碳酸乙烯酯（EC）/碳酸二甲酯（DMC）/碳酸甲乙酯（EMC）（1:1:1, v/v，純Na電解液）和1 M Ca(BF₄)₂在EC/碳酸二乙酯（DEC）（1:1, v/v，純Ca電解液）中的體積比，實(shí)現(xiàn)了 Ca(BF4)₂-NaPF₆混合電解液的優(yōu)化。

鈣電池中的離子傳輸和電荷轉(zhuǎn)移首次通過改變?nèi)軇┖望}的類別和比例來調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了可調(diào)節(jié)的相間物種和微觀結(jié)構(gòu)、鈣沉積/溶解過電位和循環(huán)穩(wěn)定性。研究表明，在EC/DEC/DMC/EMC（7:1:6:6, v/v）中的優(yōu)化0.1 M Ca(BF₄)₂-0.9 M NaPF₆電解液有助于最穩(wěn)定的Ca電鍍/剝離循環(huán)、最弱的過電位及形成含有適量有機(jī)物的鈉/鈣基混合固體電解質(zhì)界面（SEI）。

圖1. 不同混合電解液比例的Ca//Ca對稱電池的電化學(xué)性能

因此，基于優(yōu)化電解液的鈣金屬電池實(shí)現(xiàn)了≈290 mAh g^-1（在200 mA g^-1和 1.2~4.5 V條件下）的超高可逆容量，幾乎是對應(yīng)其他電池（≈65 mAh g^-1）的4倍。此外，還實(shí)現(xiàn)了相當(dāng)于在429 W kg^-1時(shí)≈616 Wh kg^-1的能量/功率密度性能，這也是多價(jià)離子可充電金屬電池的最佳性能之一。

總體而言，這項(xiàng)研究揭開了Na/Ca基雜化SEI的神秘面紗，為深入了解F基碳酸鹽電解液中的Ca電鍍/剝離奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。最后，優(yōu)化的電解液在以獨(dú)立晶格擴(kuò)展的石墨碳纖維（FLEGCF）膜為正極的鈣金屬電池中表現(xiàn)最佳，具有出色的儲(chǔ)能能力及應(yīng)用前景。

圖2. 鈣金屬電池的電化學(xué)性能和工作機(jī)理

Electrolyte Optimization and Interphase Regulation for Significantly Enhanced Storage Capability in Ca-Metal Batteries, Advanced Functional Materials 2022. DOI: 10.1002/adfm.202200004

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