對鋰離子電池長期使用的稀缺性、高價(jià)格和安全性的擔(dān)憂促使倫斯勒理工學(xué)院的一組研究人員提出了一種更環(huán)保、更高效、更便宜的儲能替代方案。

在最近發(fā)表在美國國家科學(xué)院院刊(PNAS)上的研究中，通訊作者NikhilKoratkar、Rensselaer的JohnA.Clark和EdwardT.Crossan工程學(xué)教授及其團(tuán)隊(duì)斷言，鈣離子可以用作一種由于其豐富和低成本，可替代電池中的鋰離子。

“絕大多數(shù)可充電電池產(chǎn)品都基于鋰離子技術(shù)，這是性能方面的黃金標(biāo)準(zhǔn)，”Koratkar博士說。“然而，鋰離子技術(shù)的致命弱點(diǎn)是成本。鋰在地球上是一種有限的資源，近年來其價(jià)格急劇上漲。我們正在研究一種廉價(jià)、豐富、安全和可持續(xù)的電池化學(xué)，在水性、水基電解質(zhì)中使用鈣離子。”

雖然鈣離子相對于鋰的較大尺寸和較高的電荷密度會損害擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)和循環(huán)穩(wěn)定性，但Koratkar博士和他的團(tuán)隊(duì)提供了包含大開放空間(七邊形和六邊形通道)的氧化物結(jié)構(gòu)作為一種前瞻性的解決方案。在他們的工作中，使用鉬釩氧化物(MoVO)的正交和三角多晶型物作為鈣離子的主體，展示了一種水性鈣離子電池。

“鈣離子是二價(jià)的，因此在電池運(yùn)行期間，一個(gè)離子插入將為每個(gè)離子提供兩個(gè)電子，”Koratkar博士解釋說。“這可以實(shí)現(xiàn)高效電池，減少鈣離子的質(zhì)量和體積。但是，相對于鋰，更高的離子電荷和更大的鈣離子尺寸使得將鈣離子插入電池電極非常具有挑戰(zhàn)性。我們克服了這個(gè)問題通過開發(fā)一種稱為鉬釩氧化物的特殊材料，該材料包含貫穿材料的大型六邊形和七邊形通道或隧道。”

研究小組證明，鈣離子可以從材料中快速插入和提取，這些隧道充當(dāng)可逆和快速離子傳輸?shù)?ldquo;導(dǎo)管”，研究結(jié)果表明，MoVO提供了迄今為止報(bào)道的鈣存儲最佳性能之一離子。

“在不久的將來，鈣離子電池可能有一天會取代鋰離子技術(shù)，成為為我們社會提供動(dòng)力的首選電池化學(xué)物質(zhì)，”Koratkar博士解釋道。“這項(xiàng)工作可以引領(lǐng)一種新型高性能鈣基電池，這些電池使用地球上豐富且安全的材料，因此價(jià)格實(shí)惠且可持續(xù)。此類電池可廣泛用于便攜式和消費(fèi)電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車以及電網(wǎng)和可再生能源儲存。”