由于钙的天然丰度和低氧化还原电位，钙离子电池（CIB）被认为是有前途的多价离子电池系统。然而由于缺乏可靠的电极材料，其实际应用在很大程度上受到了阻碍。
在此，香港理工大学张标教授、香港科技大学（广州）黄加强教授等人通过互补的理论和实验研究展示了一种用于CIB的新型转换型硒电极，该电极与非水系电解液和水系电解液均兼容。具体而言，作者使用经典的介孔CMK-3碳来容纳 Se，通过熔体扩散法合成了Se/CMK-3复合电极，进而探索Ca-Se反应的内在可逆性和稳定性。
电化学测试表明，Se/CMK-3电极在非水系（有机）电解液中在50 mA g-1下可提供476 mAh g-1 的高比容量，平均库伦效率（CE）为 99.6%，在能量密度方面明显优于已报道的插层化合物正极。此外，该复合电极还具有500 mA g-1大电流密度下的长期循环稳定性，循环300次后仍可提供150 mAh g-1的可逆容量，CE接近100%。
图1. Se/CMK-3复合材料的合成过程和结构表征
作者通过SEM/EDS、XPS、UV-vis表征和电化学方法进行的机理研究揭示了Se0 和Se2-之间的逐步转换，Se可以可逆地转化为CaSe，其反应路径是通过多步氧化还原转化生成中间体CaSex（2 ≤ x ≤ 8）产物。
DFT计算表明，这些中间相很可能包含CaSe4和Ca2Se5，作者首次揭示了其详细晶体结构。此外，Se/CMK-3电极在水系电解液中也显示出优异的电化学活性（300 mA g-1下循环50次后可保持190 mAh g-1的可逆容量），并表现出与在非水系电解液中相似的转化机制。通过将Se/CMK-3负极与铜基普鲁士蓝正极耦合，作者展示了1.1 V级水系CIB。
总之，这项工作中可逆钙硒化学的发现为新兴的CIB开辟了新的机遇，为探索非水系和水系CIB兼容的高容量电极提供了指导。
图2. Se/CMK-3电极在水系电解液中的性能及机理分析
Unlocking the Reversible Selenium Electrode for Non-Aqueous and Aqueous Calcium-Ion Batteries, Advanced Functional Materials 2022. DOI: 10.1002/adfm.202200929
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