香港科技大學的研究人員最近開發了一種新型鈣離子電池，這項技術有望挑戰鋰離子電池的地位，因為它在穩定性和性能上有所提升。該團隊採用了基於氧化還原活性共價有機框架的準固態電解質來構建這一系統。鈣離子電池被視為鋰離子電池的有前景的替代品，因為鈣資源豐富且成本低廉，並且它們提供了相當的電化學窗口。然而，實際應用受到離子傳輸不良和循環不穩定的限制。
目前，鋰離子電池主導著市場，廣泛用於電動車、電網儲能系統和消費電子產品。不過，鋰資源有限，進一步提高能量密度變得愈加困難。因此，尋找下一代電池化學技術的需求日益增強。鈣離子系統面臨的核心挑戰是如何在保持結構穩定的同時，高效地移動鈣離子。
為了解決這一問題，香港科技大學的團隊設計了富含羰基的共價有機框架，這些材料作為準固態電解質，創建了能引導鈣離子的對齊通道。根據研究人員的說法，這些新型電解質在室溫下實現了 0.46 mS cm–1 的離子導電率，並且鈣離子運輸能力超過 0.53。實驗和模擬研究顯示，鈣離子能在有序的 COF 孔道內沿著對齊的羰基快速移動。
這一材料設計使得團隊能夠組裝出完整的鈣離子電池電芯。該系統在 0.15 A g–1 的條件下，提供了 155.9 mAh g–1 的可逆比容量。在 1 A g–1 的速率下，經過 1,000 次循環後，仍保留超過 74.6% 的容量。這些數據顯示，該技術朝著實際應用邁進，尤其是在可持續性和成本優先的應用領域。
研究團隊的副教授金允燮表示，我們的研究突顯了鈣離子電池作為鋰離子技術的可持續替代品的變革潛力。通過利用氧化還原共價有機框架的獨特特性，我們向實現高性能能量儲存解決方案邁出了重要一步，這些解決方案能夠滿足更加綠色未來的需求。
這項進展針對鈣離子系統的一個主要弱點：陽離子傳輸緩慢。通過提高離子移動性，同時保持結構完整性，團隊在效率和耐用性方面都做出了改進。準固態電解質還提供了比液態系統更安全的優勢，降低了泄漏風險並改善了機械穩定性。這可能使該技術在電動車和大規模儲能領域中具有吸引力，因為安全性和長壽命至關重要。
這項研究與上海交通大學的研究人員合作進行。雖然仍需進一步工作來擴大技術規模並驗證長期商業可行性，但結果顯示鈣離子電池的性能指標已接近競爭水平。隨著全球能源轉型的加速，除了鋰以外的電池化學正受到越來越多的關注。這類進展表明，基於鈣的系統可能成為未來能量儲存的組成部分。研究結果已發表在《Advanced Science》期刊上。
