隨著電動汽車推廣使用,對鋰的需求也日益增長。然而,這種元素在地球上的儲量并不豐富,僅占地殼的0.002%。隨著時間推移,鋰金屬或將供不應求。
解決這一難題的方法之一是設計新型電池,采用更豐富的堿性金屬,而不是鋰。在可以替代鋰的幾種候選金屬中,鈣(Ca)是一種有前景的可充電電池金屬。鈣的儲量是鋰的一萬倍,理論上能產生類似的電池性能。然而,開發鈣基電池存在一些主要障礙,比如對合適的陰極(cathode,negative terminal)材料缺乏了解,這些材料能以可逆的方式有效存儲和釋放鈣。
據外媒報道,為了幫助確定鈣電池的最佳候選陰極材料,韓國中央大學(Chung-Ang University)的助理教授Haesun Park及其同事采取了一種系統性的方法。該團隊通過運行基于密度泛函理論(DFT)的高通量量子力學模擬,預測結合鈣和過渡金屬氧化物的各種層狀材料的電池相關性能。
大部分工作在阿貢國家實驗室(Argonne National Lab)和美國能源部支持的聯合儲能研究中心(JCESR)項目中進行。研究人員考慮了七種過渡金屬離子和四種層狀結構,共28個候選陰極。通過DFT計算,對許多重要特征進行評估,包括熱力學穩定性、能量密度、可合成性、鈣遷移率和電子結構,以確定有前景的鈣基電池材料。
值得一提的是,研究人員發現鈷(Co)是一種圓形過渡金屬,可用于層狀鈣基陰極,分子式為CaCo2O4。此外,研究表明,在陰極中結合不同的過渡金屬是一種可行策略,可以改善某些必要特性。Park教授強調:“研究人員成功展示,在鋰、鈉、鉀電池中廣泛使用的層狀過渡金屬氧化物,有望成為鈣陰極材料。此項研究發現了有前景的候選結構和化學成分,有望促進對這些材料進行深入研究。”
開發低成本、高性能的鈣離子電池,將有助于實現從傳統汽車向電動汽車轉變。從許多方面來看,電動汽車更具有環保性。研究人員希望,通過實驗工作鞏固這項研究的成果,為實現更綠色的未來鋪平道路。