韩国中央大学探索钙离子电池候选材料 帮助缓解锂资源短缺问题

随着电动汽车推广使用，对锂的需求也日益增长。然而，这种元素在地球上的储量并不丰富，仅占地壳的0.002%。随着时间推移，锂金属或将供不应求。

（图片来源：韩国中央大学）

解决这一难题的方法之一是设计新型电池，采用更丰富的碱性金属，而不是锂。在可以替代锂的几种候选金属中，钙（Ca）是一种有前景的可充电电池金属。钙的储量是锂的一万倍，理论上能产生类似的电池性能。然而，开发钙基电池存在一些主要障碍，比如对合适的阴极（cathode，negative terminal）材料缺乏了解，这些材料能以可逆的方式有效存储和释放钙。

据外媒报道，为了帮助确定钙电池的最佳候选阴极材料，韩国中央大学（Chung-Ang University）的助理教授Haesun Park及其同事采取了一种系统性的方法。该团队通过运行基于密度泛函理论（DFT）的高通量量子力学模拟，预测结合钙和过渡金属氧化物的各种层状材料的电池相关性能。

大部分工作在阿贡国家实验室（Argonne National Lab）和美国能源部支持的联合储能研究中心（JCESR）项目中进行。研究人员考虑了七种过渡金属离子和四种层状结构，共28个候选阴极。通过DFT计算，对许多重要特征进行评估，包括热力学稳定性、能量密度、可合成性、钙迁移率和电子结构，以确定有前景的钙基电池材料。

值得一提的是，研究人员发现钴（Co）是一种圆形过渡金属，可用于层状钙基阴极，分子式为CaCo2O4。此外，研究表明，在阴极中结合不同的过渡金属是一种可行策略，可以改善某些必要特性。Park教授强调：“研究人员成功展示，在锂、钠、钾电池中广泛使用的层状过渡金属氧化物，有望成为钙阴极材料。此项研究发现了有前景的候选结构和化学成分，有望促进对这些材料进行深入研究。”

开发低成本、高性能的钙离子电池，将有助于实现从传统汽车向电动汽车转变。从许多方面来看，电动汽车更具有环保性。研究人员希望，通过实验工作巩固这项研究的成果，为实现更绿色的未来铺平道路。