钙离子电池：储能的下一个前沿

安德鲁·科塞利

化学与生物工程系副教授、通讯作者、博士生 Yoonseob KIM 教授（右）第一作者尹卓宇学生（左）手持电化学电池模具。照片中它们位于电池循环仪旁边。 （图片来源：香港科技大学）

香港科技大学（科大）的研究人员在钙离子电池（CIB）技术方面取得了突破，该技术可以改变日常生活中的储能解决方案。这些创新 CIB 利用准固态电解质 (QSSE)，有望提高储能的效率和可持续性，影响从可再生能源系统到电动汽车的广泛应用。研究结果发表在国际期刊《Advanced Science》上 标题为“来自氧化还原活性共价有机框架电解质的高性能准固态钙离子电池。”

全球范围内，可持续能源存储解决方案的紧迫性日益迫切。随着世界加速向绿色能源转变，对高效、稳定的电池系统的需求从未如此迫切。当今主流锂离子电池 (LIB) 由于资源稀缺和能量密度接近有限而面临挑战，因此探索 CIB 等替代品对于可持续的未来至关重要。

CIB 具有与 LIB 相当的电化学窗口以及在地球上的丰富性，因此具有巨大的前景。然而，他们面临着困难，特别是在实现有效的阳离子传输和保持稳定的循环性能方面。这些障碍目前限制了 CIB 相对于商用 LIB 的竞争力。

为了克服这些挑战，科大化学及生物工程系副教授Yoonseob KIM教授领导的研究团队开发了氧化还原共价有机框架作为QSSE。这些富含羰基的 QSSE 在室温下表现出显着的离子电导率 (0.46 mS cm-1) 和 Ca2+ 传输能力 (>0.53)。结合实验和模拟研究，团队发现Ca2+沿着有序COFs孔内对齐的羰基快速传输。

这种创新方法创造了一种全钙离子电池，在 0.15 A g-1 电流下表现出 155.9 mAh g-1 的可逆比容量，并在 1,000 次循环后在 1 A g-1 电流下保持超过 74.6% 的容量保持率，展示了氧化还原 COF 推进 CIB 技术的潜力。

示意图显示了本工作中实现的基于共价有机骨架的准固态电解质的合成过程和工作全电池。 （图片来源：香港科技大学）

这是独家技术简介 采访 Kim，为了篇幅和清晰度进行了编辑。

技术简介 ：在开发这项 CIB 技术突破时，您面临的最大技术挑战是什么？

金 ：最大的挑战是钙离子固有的缓慢运动。与锂离子相比，钙离子具有更大的尺寸和更强的电荷，这使得它们的扩散速度慢得多，尤其是在准固态电解质中，其电导率可能比锂低十倍以上。克服电导率的显着下降对于钙离子电池的可行性至关重要。

为了解决这个问题，我们探索了使用高度结晶的多孔材料来构建垂直排列的离子传输路径。通过设计这些结构，我们的目标是创建促进离子运动的连续通道。此外，我们沿着这些途径引入了战略性放置的活性位点，以促进和维持有效的钙离子运输。这种方法不仅具有创新性，而且实施起来也极具挑战性，因为它需要在纳米尺度上精确控制材料结构和表面化学。

技术简介 :能简单解释一下它是如何工作的吗？

金 ：将传统电池想象为通过桥连接的两个容器。离子（带电载流子）需要穿过这座桥才能发电。在钙电池中，面临的挑战是钙离子比当今大多数电池中使用的锂离子更大且“更粘”。它们往往会减慢速度或在途中被卡住，特别是在我们的准固体电解质中——它就像固体而不是液体。

因此，我们在电池内部建立了一个特殊的高速公路系统。使用多孔材料，我们创建了清晰的通道，将钙离子引导到正确的方向。我们还在沿途添加了“服务站”——这些点可以给离子一点推动力，让它们保持移动。这种设计有助于大钙离子有效移动，因此电池可以利用丰富的钙而不是稀缺的锂来有效地存储和输送能量。

技术简介 ：您对进一步的研究/工作/等有什么既定计划吗？如果没有，下一步是什么？

金 ：是的，我们有明确的后续步骤。首先，我们计划进一步优化离子传输通道，以实现更高的钙离子电导率。我们的目标是使单个钙离子能够通过共价有机框架 (COF) 材料传导，这意味着每个通道可以更有效地携带离子，就像专用的快速通道一样。

其次，我们将致力于优化正极和负极材料和结构。最终，我们的目标是开发全固态钙离子电池，这将进一步提高能量密度和安全性。这使我们更接近使用丰富钙的实用、高性能电池。

技术简介 ：还有什么我没有提到的你想补充的吗？

金 ：我要谈谈可充电电池的前景方向，这是我们感到兴奋的一个重要方向：目前，我们专注于用负极活性材料构建电池，但我们的最终目标是开发无负极电池。

想象一下您不需要随身携带阳极材料的电池——它在充电过程中会自行形成。这将显着提高能量密度，因为您可以有效地利用每一点材料。这就像将更多行李装进同一个手提箱。

无阳极设计被认为是下一代可充电电池，我们相信钙化学提供了实现这一目标的独特机会。这是一个雄心勃勃的目标，但这就是我们正在努力的方向。

技术简介 ：对于那些希望将自己的想法变成现实的研究人员，您有什么建议吗？

金 ：以下是一些建议：

首先，不要回避难题——拥抱它们。如果挑战很困难，就意味着解决方案很有价值。钙离子本质上比锂离子慢，但解决这一根本挑战才是这一突破的意义所在。

其次，从结构上思考，而不仅仅是从化学角度思考。有时答案不是新材料而是你如何安排它。我们的多孔通道设计不仅要问“什么”，还要问“如何”——离子实际上如何在空间中移动？

最后，保持耐心但坚持不懈。突破很少在一夜之间发生。它们来自于小的、渐进的胜利——比如将电导率提高几个百分点，然后再提高几个百分点，直到突然跨越了一个阈值。

值得解决的问题是那些不会轻易放弃的问题。