王成新/田非AFM: 显著增强钙金属电池存储能力的电解液优化和相间调节

电解液溶剂、盐分、添加剂直接决定了电压极限、安全可靠性、温度极限等多项电池指标。在钙金属电池中，需要合适的电解液和中间相来实现可逆的钙电镀/剥离，这对于室温下的F基盐来说是一个挑战。

在此，中山大学王成新教授、田非教授等人通过改变1 M NaPF₆在碳酸乙烯酯（EC）/碳酸二甲酯（DMC）/碳酸甲乙酯（EMC）（1:1:1, v/v，纯Na电解液）和1 M Ca(BF₄)₂在EC/碳酸二乙酯（DEC）（1:1, v/v，纯Ca电解液）中的体积比，实现了 Ca(BF4)₂-NaPF₆混合电解液的优化。

钙电池中的离子传输和电荷转移首次通过改变溶剂和盐的类别和比例来调节，实现了可调节的相间物种和微观结构、钙沉积/溶解过电位和循环稳定性。研究表明，在EC/DEC/DMC/EMC（7:1:6:6, v/v）中的优化0.1 M Ca(BF₄)₂-0.9 M NaPF₆电解液有助于最稳定的Ca电镀/剥离循环、最弱的过电位及形成含有适量有机物的钠/钙基混合固体电解质界面（SEI）。

图1. 不同混合电解液比例的Ca//Ca对称电池的电化学性能

因此，基于优化电解液的钙金属电池实现了≈290 mAh g^-1（在200 mA g^-1和 1.2~4.5 V条件下）的超高可逆容量，几乎是对应其他电池（≈65 mAh g^-1）的4倍。此外，还实现了相当于在429 W kg^-1时≈616 Wh kg^-1的能量/功率密度性能，这也是多价离子可充电金属电池的最佳性能之一。

总体而言，这项研究揭开了Na/Ca基杂化SEI的神秘面纱，为深入了解F基碳酸盐电解液中的Ca电镀/剥离奠定了坚实的基础。最后，优化的电解液在以独立晶格扩展的石墨碳纤维（FLEGCF）膜为正极的钙金属电池中表现最佳，具有出色的储能能力及应用前景。

图2. 钙金属电池的电化学性能和工作机理

Electrolyte Optimization and Interphase Regulation for Significantly Enhanced Storage Capability in Ca-Metal Batteries, Advanced Functional Materials 2022. DOI: 10.1002/adfm.202200004

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王成新/田非AFM: 显著增强钙金属电池存储能力的电解液优化和相间调节

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