超越鋰：尋找鈣離子電池

　　科學家們通過量子力學模擬，試圖確定一類有前途的材料，制造用于超越鋰的新型可充電電池。

　　鋰的稀缺性促使科學家們尋找其他堿金屬來生產可充電電池。在最近的一項研究中，韓國中央大學的助理教授Haesun Park及其同事對各種鈣(Ca)基正極材料進行了計算模擬。他們的發現將有助于指導未來的實驗工作并加速新電池的開發，為電動汽車的廣泛采用鋪平道路。

　　電動汽車是未來；它們將有助于減少空氣污染并結束我們對化石燃料的依賴。然而，這種潛在的顛覆性技術存在一個明顯的問題：是否有足夠的鋰(Li)來生產所有這些汽車電池。我們目前擁有的最好的可充電電池是基于鋰的化學反應。不幸的是，鋰在地球上并不豐富，其儲量僅占地殼的0.002%。一旦電動汽車變得更加普及，對鋰的需求將開始超過供應。

　　解決這個難題的一個可能方法是設計一種新型電池，這種電池依賴于更豐富的堿金屬而不是鋰。在可以替代鋰的幾種候選材料中，鈣(Ca)作為可充電電池的有前途的金屬脫穎而出。Ca不僅比Li豐富10000倍，而且理論上也可以產生類似的電池性能。然而，鈣基電池的發展仍然存在一些主要障礙，其中之一是缺乏對以可逆鈣正極（負極）材料的了解。

　　為了幫助確定鈣電池的最佳候選正極材料，韓國中央大學的助理教授Haesun Park及其同事采用了系統工程的方法。通過運行基于密度泛函理論(DFT)的高通量量子力學模擬，該團隊預測了Ca和過渡金屬氧化物的各種層狀材料的電池相關特性。

　　這項工作的大部分是在阿貢國家實驗室和美國能源部支持的儲能研究聯合中心(JCESR)項目中進行的。“鈣電池研究是JCESR正在進行的主要工作之一。”Park教授說。“阿貢和JCESR項目的穩定支持使我們能夠一心研究鈣離子電池。”相關論文于2021年11月6日在線提供，并于2021年12月23日發表在Advanced Energy Materials第11卷第48期。

　　科學家們考慮了七種過渡金屬離子和四種層狀結構，總共有28個候選陰極。通過DFT計算，他們評估了許多重要特性，包括它們的熱力學穩定性、能量密度、可合成性、Ca遷移率和電子結構。反過來，這使他們能夠確定用于開發鈣基電池的有前景的材料。

　　特別是，科學家們將鈷(Co)確定為一種全面的過渡金屬，用于層狀Ca基陰極，分子式為CaCo2O4。此外，他們還表明，在陰極中結合不同的過渡金屬可能是改善某些所需特性的可行策略。“我們設法證明，廣泛用于鋰、鈉和鉀電池的層狀過渡金屬氧化物可以成為一類很有前途的鈣陰極材料。”Park教授強調說。

　　“低成本和高性能鈣離子電池的成功開發必將有助于傳統汽車向電動汽車的過渡，這將在許多方面更加環保。讓我們的實驗工作能夠服務未來的發展“

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