宋华伟副教授、王成新教授团队在水系钙离子电池储能领域取得进展

水系钙离子电池，得益于丰富的钙资源、良好的安全性、较快的动力学、低成本等优势在二次电池储能领域具有广阔的应用前景。然而，其负极材料主要局限于一些具有共轭结构的烯醇、酮等稠环芳香化合物等，致使容量极其有限，且离子/电子传输动力学滞后严重，氧化还原电位相对较高。因此，开发具有低电位、大容量、快动力学、高循环稳定性的负极材料对于水系钙离子电池的研发具有重要意义。

图1. 锌金属电极在CE与ZE中不同的界面电化学过程示意。

近日，我集团王成新教授团队系统研究锌金属在一系列钙盐、锌盐水溶液电化学析氢极化过程基础上，首次使用三氟甲基磺酸钙水溶液作为电解质，锌金属箔充当负极，构建水系钙离子电池，并揭示了其独特的界面电化学性质——锌金属表面原位形成均匀、致密堆积的复合界面层，与对应锌盐电解液的严重枝晶生长界面形成鲜明对比。该复合界面层由水合碱式碳酸钙纳米晶、氟化锌纳米晶、非晶有机碳等组成，其均匀、稳定、紧凑的结构有效地避免了水与锌金属负极的直接相互作用，显著抑制了析氢腐蚀、锌枝晶生长，大幅提高了锌箔负极的使用寿命。对称电池在0.5 mA cm^-2的电流与2.5 mAh cm^-2的电量下，稳定电镀/剥离1600小时，远优于常规无稳定界面的对照组对称电池的150小时；相应的水系钙离子电池器件在 1 A g^-1的倍率下，经过700次循环容量保持在80%，远优于常规无稳定界面的对照组器件的200次循环容量持有率仅13%的情况。上述结果表明：通过合适的界面工程，金属负极同样适用于构筑各种高效、安全的水系电池，这为各类水系电池负极提供了新的选择。相关成果以“High-Performance Aqueous Calcium Ion Batteries Enabled by Zn Metal Anodes with Stable Ion-Conducting Interphases”为题发表在Nano Letters上。我集团22级硕士研究生郭韦华为论文第一作者，王成新教授与宋华伟副教授为论文共同通讯作者，ok138cn太阳集团为论文唯一完成单位。该工作得到国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、太阳集团tyc138测试中心等的大力支持。

图2. 锌金属电极在CE与ZE中的电化学性质表征。（a）线性伏安扫描，（b）塔菲尔曲线，

（c）交流阻抗谱，（d）恒电流对称电池电镀-剥离稳定性，（e）变电流对称电池电镀-剥离稳定性。

图3. 锌金属电极在CE与ZE中的界面演变。（a-c）初始态锌箔、循环后锌箔的扫描电镜，

(d, e) 使用CE的锌电极循环后表面、截面结构、组分等，（f, g）原位光学显微镜枝晶监测。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c02778

初审：袁湛楠

审核：田雪林、许俊卿

审核发布：李伯军