近日，中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院功能薄膜材料研究中心研究員唐永炳及其團隊成員郎集會、蔣春磊、方月等研發(fā)了一種具有高倍率、長循環(huán)的室溫鈣基多離子電池，創(chuàng)新性地提出了三離子設(shè)計策略，實現(xiàn)了高達(dá)15 C的倍率性能（容量保持率97%），并在5 C的倍率條件下循環(huán)1500圈仍具有86%的容量保持率，是目前已報道鈣基全電池中的最好性能。

相關(guān)成果以Room-Temperature Rechargeable Ca-Ion Based Hybrid Batteries with High Rate Capability and Long-Term Cycling Life 為題發(fā)表在《先進能源材料》（Advanced Energy Materials）上。

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鈣豐富的資源儲量、與鋰接近的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢以及二價態(tài)（電荷數(shù)目是鋰離子的2倍）特性，使得鈣離子儲能器件在儲能等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。然而，鈣金屬負(fù)極在常規(guī)有機電解液中形成鈍化膜，在室溫下難以實現(xiàn)可逆的沉積/剝離反應(yīng)；此外，鈣離子半徑較大導(dǎo)致倍率和循環(huán)性能較差，嚴(yán)重阻礙了鈣離子儲能器件的發(fā)展。

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基于上述考慮，唐永炳（通訊作者）及其團隊成員郎集會（第一作者）、蔣春磊（共同第一作者）、方月（共同第一作者）等成功研發(fā)出一種基于三離子反應(yīng)策略（Ca²⁺/Li⁺/PF₆^–）的新型鈣離子電池。

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通過研究二元相圖并結(jié)合理論計算，該電池選用可以同時與Ca²⁺和Li⁺發(fā)生合金化反應(yīng)的Sn金屬作為負(fù)極材料，選用可以與PF₆^–發(fā)生可逆插層反應(yīng)的膨脹石墨作為正極材料。

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一方面，由于PF₆^–插層石墨良好的可逆性，避免了鈣離子在傳統(tǒng)正極材料中由于緩慢的動力學(xué)過程造成的倍率性能低、循環(huán)性能差的問題，為開發(fā)高性能鈣離子電池提供了更多的正極材料選擇；另一方面，通過雜化適量離子半徑小、擴散速率快的鋰離子，能有效改善鈣離子發(fā)生合金化反應(yīng)的動力學(xué)性能。

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通過以上兩種反應(yīng)機理的協(xié)同作用，顯著提高了鈣基多離子電池的電化學(xué)性能。

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研究結(jié)果表明，優(yōu)化后的鈣電池在15 C的高倍率條件下容量保持率達(dá)到97%；在5 C倍率下循環(huán)1500圈容量保持率達(dá)到86%，是目前已報道鈣基全電池中的最好性能。該工作為設(shè)計室溫可逆鈣離子儲能器件提供了一種新的解決思路。

該項研究得到國家自然科學(xué)基金優(yōu)青項目、廣東省科技計劃和深圳市科技計劃項目等的資助。

LANG, Jihui, et al. Room‐Temperature Rechargeable Ca‐Ion Based Hybrid Batteries with High Rate Capability and Long‐Term Cycling Life. Advanced Energy Materials, 2019, 1901099.