香港科技大学的科学家在钙离子电池技术领域取得重大突破，可能为从可再生电网到电动汽车等各种应用开启更安全、更可持续的储能之门。通过设计一种由氧化还原活性共价有机框架制成的新型准固态电解质，该团队解决了长期阻碍钙电池发展的难题——即离子传输性能差与稳定性有限。
随着各国扩大可再生能源生产，对可靠高效电池存储的需求持续增长。锂离子电池目前主导市场，但对锂资源有限及其能量密度实际限制的担忧依然存在。这些限制加剧了对替代电池化学体系的探索，以满足长期全球能源需求。
钙离子电池因其钙资源丰富且具有与锂离子电池相当的电化学窗口而受到关注。然而，技术障碍延缓了进展。特别是，钙离子在电池内难以高效移动，且在反复充放电循环中保持稳定性能被证明具有挑战性。这些问题使钙离子电池无法直接与成熟的锂基体系竞争。
准固态电解质改善离子传输
为解决这些问题，香港科技大学化学与生物工程系副教授金润燮教授领导的团队设计了氧化还原共价有机框架作为准固态电解质。这些富含羰基的材料在室温下实现了强离子电导率（0.46 mS cm-1）和Ca2+传输能力（>0.53）。
通过实验室实验和计算机模拟，研究人员发现Ca2+离子沿共价有机框架结构孔内排列的羰基快速移动。这种有序的内部路径有助于解释离子迁移率的提升和整体电池性能的改善。
超过1000次循环的强劲性能
采用此设计，团队组装了完整的钙离子电池单元，在0.15 A g-1下实现了155.9 mAh g-1的可逆比容量。即使在1 A g-1下，经过1000次充放电循环后，电池仍保持超过74.6%的容量。这些结果证明了氧化还原共价有机框架在显著增强钙离子电池技术方面的潜力。
金教授表示：“我们的研究凸显了钙离子电池作为锂离子技术可持续替代品的变革潜力。通过利用氧化还原共价有机框架的独特性质，我们向实现满足更绿色未来需求的高性能储能解决方案迈出了重要一步。”
该研究由香港科技大学与上海交通大学合作完成。