鈣金屬電池，作為比較有潛力的鋰金屬替代技術之一，得益于鈣更廣的豐度、可與鋰匹敵的氧化還原電位和有效離子尺度（離子尺度/重量或電荷）、更好的環境相容性，正表現出廣闊的應用前景。然而，鈣金屬電池的應用受限于快速衰退的鈣金屬沉積/剝離和鈣離子插入/脫出電化學，以及它們緩慢的動力學和及其嚴重的極化現象。這關鍵在于：鈣離子嵌入/脫出面臨強大的庫倫引/斥力,而鈣金屬的沉積/剝離伴隨著嚴重的失控陰離子腐蝕。前者導致正極儲能容量顯著降低，而后者一方面導致活性鈣失活，另一方面腐蝕形成的氟化鈣及氫化鈣絕緣層造成器件內阻呈幾何級數遞增。總的來說，鈣金屬電池的應用，其一缺少合適的高比容儲能正極，其二缺少合適的電解液體系及與之匹配的穩定電極-電解液界面，用以保證穩定的鈣金屬沉積/剝離電化學過程和相對較弱的極化電位漂移。
針對這些問題，中山大學材料科學與工程學院王成新教授團隊首次引入多離子電解液優化策略，借助不同離子的溶劑化特性和多離子衍生復合固態電解液中間相(Hybrid Solid Electrolyte Interphases)更緊湊的界面包覆等，降低極化能壘，抑制沉積層的陰離子腐蝕，從而實現對鈣金屬沉積/剝離極化電位的調節；同時，發展了利用纖維素廢紙制備石墨化碳膜正極，得益于不同尺度離子增強的儲能能力，以及新型陰陽離子接力儲能機制（Anion-Cation Relay Storage, 見Small Science, 2021，1，2000030），該正極表現出優異的鈣基高比容儲能特性和良好的寬電壓窗口適應性（100 mA g-1的倍率下，輸出能量約517.5 Wh kg-1；在0.005-4.9 V之間具有良好的電壓適應性），最終促成電壓可調的高性能鈣金屬電池應用（如圖1，2所示）。
圖1. 基于纖維素廢紙衍生的石墨化碳膜正極和電解液優化策略的鈣金屬電池示意。
圖2. 基于電解液優化策略調節鈣金屬沉積/剝離電位和鈣金屬電池電壓示意，鈣//鈣對稱電池優化前后的電壓-時間曲線（左圖），鈣金屬電池優化前后的工作電壓曲線（右圖）。
該工作借助多離子電解液優化策略，在確保鈣//鈣對稱電池具有更好鈣金屬沉積/剝離穩定性的前提下（>400 h），將其極化電位降低約0.65 V；結合高容量的纖維素廢紙衍生石墨化碳膜正極，鈣金屬電池在2.0-4.7 V的電壓窗口和100 mA g-1的倍率下，輸出可逆容量為101 mAh g-1，平均工作電壓為3.2 V, 經過上百次循環后容量持有率保持在77%。這是繼前期工作——高電壓鈣金屬電池（Adv. Mater., 2021, 33, 2006141）之后的又一創新成果。相關內容以“Multi-Ions Electrolyte Enabled High Performance Voltage Tailorable Room-Temperature Ca-Metal Batteries”為題，以封面文章（Front cover）的形式發表在材料領域的重要期刊Advanced Energy Materials上，其中宋華偉研究員為第一作者，王成新教授為通訊作者。該工作獲得國家自然科學基金和中山大學高校基本科研業務費等項目的大力資助。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202003685
封面鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202170037
