隨著電動汽車和電網(wǎng)儲能系統(tǒng)使用的增多,替代鋰離子電池(LIBs)的探索更加迫切,鈣(Ca)金屬電池是其中的一種。作為地殼中豐度第五的元素鈣,唾手可得且價格低廉,能量密度要比LIBs高。此外,鈣離子在電解質(zhì)中的快速傳輸以及在正極材料中的快速擴散特性,使鈣離子電池(替代LIB)比鎂和鋅更具優(yōu)勢。但是,鈣金屬電池的商業(yè)化仍存在許多障礙,高效電解質(zhì)及大容量儲鈣離子正極材料的缺乏成為其主要障礙。

早在2021年,針對電解質(zhì)問題,日本東北大學研究團隊的一些成員提出了一種解決方案,他們發(fā)現(xiàn)了基于氫簇(單碳硼烷)的新型無氟鈣電解質(zhì),電化學性能顯著改善——電導率高、電化學穩(wěn)定性好。東北大學材料研究所(IMR)對鈣電池(以硫化銅(CuS)納米顆粒/碳復合材料為正極,氫化物為電解質(zhì))進行了長期測試。CuS雖然屬于天然礦物,但具有良好的電化學性能,由于具有層狀結構,能夠儲存多種陽離子,包括鋰、鈉和鎂,理論容量可達560 mAh/g,是目前鋰離子電池正極材料的2～3倍。

該研究團隊通過將納米顆粒(CuS)與碳材料復合,制備了一種能存儲大量鈣離子的正極材料,并以氫化物為電解質(zhì),制備了具有高循環(huán)穩(wěn)定性的電池。根據(jù)前10個周期數(shù)據(jù)推算,原型電池在500個周期內(nèi)儲電容量保持在92%。