科研人員研發出新型高效鈣離子混合儲能器件

近日，中國科學院深圳先進技術研究院集成所功能薄膜材料研究中心研究員唐永炳及其研究團隊成功研發出了一種能在室溫下工作的新型高效鈣離子混合儲能器件，其獲得了鈣離子儲能體系的優異性能。相關研究成果「A Calcium-Ion Hybrid Energy Storage Device with High Capacity and Long Cycling Life under Room Temperature」已在線發表於國際期刊Advanced Energy Materials（《先進能源材料》，Adv. Energy Mater.2019, 1803865）上。

鈣儲量豐富，是鋰的2500倍，能提供二電子反應且擁有優秀的動力學性能，因此鈣離子儲能器件有望成為新一代高效低成本儲能技術。然而，在過去二十多年裡，鈣離子儲能技術所需的正、負極材料，電解液均發展緩慢。由於缺乏合適的電極材料與電解液的組合，使得難以構建基於搖椅式工作機制的完整儲能器件，從而嚴重阻礙了鈣離子儲能技術的發展。該領域研究發現，採用陰離子與正極反應、陽離子與負極反應的多離子工作機制有望解決上述問題。在多離子工作器件中，基於非法拉第反應的超級電容器具有長壽命、高倍率等優點，然而其工作電壓及容量較低；而基於法拉第反應的雙離子電池雖然具有高電壓、高容量，但由於陰離子對正極結構的破壞，使得循環性能與倍率性能較差。

為解決上述問題，唐永炳及其團隊成員吳南中、姚文嬌等人研發出了新型鈣離子混合儲能器件。該器件採用電容型材料活性炭作為正極、電池型材料錫箔作為負極，Ca(PF6)2作為工作電解質。當電池充電時，PF6-與活性炭發生吸附反應，Ca2 與錫箔發生合金化反應，放電過程則相反。該鈣離子儲能器件有效利用了超級電容器與雙離子電池的各自特點，從而獲得了高電壓、大容量和高倍率性能，並且在室溫下展現出優異的循環穩定性，在0.2 A/g的電流密度下，循環1000次後，容量保持率高達84%。

該項研究得到國家自然科學基金、中科院項目、廣東省科技計劃項目、深圳市孔雀計劃、深圳市科技計劃項目等的資助。

圖：(a)超級電容器，(b)雙離子電池和(c)混合儲能器件在充電過程中的正(紅線)、負(藍線)極電位變化；(d)鈣離子混合儲能器件的循環穩定性，1000次循環後，容量保持率為84%；（e）鈣離子混合儲能器件在不同循環次數下的充放電曲線。

來源：中國科學院深圳先進技術研究院

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