紡織、柔性、可穿戴！復(fù)旦大學(xué)研發(fā)出室溫下可充鈣-氧電池
【化工儀器網(wǎng) 行業(yè)百態(tài)】電池指盛有電解質(zhì)溶液和金屬電極以產(chǎn)生電流的杯、槽或其他容器或復(fù)合容器的部分空間，能將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。具有正極、負(fù)極之分。隨著科技的進(jìn)步，電池泛指能產(chǎn)生電能的小型裝置。如太陽能電池。電池的性能參數(shù)主要有電動(dòng)勢、容量、比能量和電阻。利用電池作為能量來源，可以得到具有穩(wěn)定電壓，穩(wěn)定電流，長時(shí)間穩(wěn)定供電，受外界影響很小的電流，并且電池結(jié)構(gòu)簡單，攜帶方便，充放電操作簡便易行，不受外界氣候和溫度的影響，性能穩(wěn)定可靠，在現(xiàn)代社會(huì)生活中的各個(gè)方面發(fā)揮有很大作用。
近日，復(fù)旦大學(xué)纖維電子材料與器件研究院、高分子科學(xué)系、先進(jìn)材料實(shí)驗(yàn)室、聚合物分子工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室彭慧勝/王兵杰團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合王永剛、周豪慎、陸俊等合作者，研發(fā)出一種新型鈣-氧氣電池，該電池可在室溫條件下進(jìn)行電化學(xué)充放電，并穩(wěn)定運(yùn)行700次循環(huán)，展現(xiàn)出高安全性和較低成本等優(yōu)勢。日前，相關(guān)成果以《室溫下可充鈣-氧氣電池》為題在線發(fā)表于《自然》雜志。
鈣或鈣的化合物被氧化，生成其他氧化物，這是鈣-氧電池的基本原理。在理論上，鈣-氧電池可以做到低成本、高容量。因?yàn)樗诨诮饘兮}的電池中具有最高的理論能量密度，且我國的鈣資源也相對豐富。但實(shí)際上，很少有電解質(zhì)可以同時(shí)容納或匹配具有高還原性的鈣金屬負(fù)極和氧氣正極。而且鈣-氧電池的放電產(chǎn)物往往比較惰性，難以實(shí)現(xiàn)多次充放電。
研究人員發(fā)現(xiàn)，在室溫下穩(wěn)定充放電的鈣-氧氣電池面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于，電解液容易被鈣金屬負(fù)極還原分解，并在電極表面形成鈍化層，導(dǎo)致負(fù)極失效；而空氣正極具有高電極電勢，也容易導(dǎo)致電解液分解。人們此前未能找到一種能與鈣金屬負(fù)極相匹配，且能適應(yīng)高電極電勢空氣正極的電解質(zhì)。
為了解決上述挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)溶劑、電解質(zhì)鹽以及電解質(zhì)配比，制備出基于二甲基亞砜/離子液體的新型電解質(zhì)。最新發(fā)展出的新型鈣-氧氣電池主要由三個(gè)部分構(gòu)成：金屬鈣負(fù)極、碳納米管空氣正極和有機(jī)電解質(zhì)。該電池通過使用耐用的離子液體新型電解質(zhì)，在室溫下促進(jìn)負(fù)極的鈣金屬鍍層剝離，并改善空氣正極的氧化還原反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了高度可逆的雙電子反應(yīng)。該電池的放電產(chǎn)物是過氧化鈣。
研究人員表示，這一新型鈣-氧氣電池的設(shè)計(jì)兼顧了性能、成本、環(huán)境可持續(xù)性要求以及柔性電子設(shè)備中應(yīng)用的要求。其中，正極材料不含昂貴的貴金屬催化劑，并利用空氣中的氧氣作為反應(yīng)物；負(fù)極材料成本較低，還具有較高的理論容量；電解質(zhì)在室溫下表現(xiàn)出了高離子導(dǎo)率和穩(wěn)定的電化學(xué)特性，提升了電池的整體安全性。
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