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與鎂離子電池相比，鈣離子電池具有更高的電壓和更高的理論能量密度。尋找高壓鈣正極材料是釋放高能量密度鈣離子電池全部潛力的關鍵一步，而Ca插層正極設計指南的缺乏阻礙了利用Ca作為工作陽離子的鈣電池的出現。

為此，美國阿貢國家實驗室Peter Zapol, Haesun Park等人使用DFT計算來表明各種過渡金屬（TM）取代的層狀氧化物可以成為Ca正極的新途徑。

通過對CaTM₂O₄材料進行了七種不同的TM種類（Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co和Ni）的第一性原理計算，得到了四種層狀多晶型物（P1、P2₁/m、Pmmn和P2/m ) 共28個正極結構并評估了它們的熱力學穩定性、平均嵌入電壓、能量密度、嵌入與轉化的偏好、可合成性、陽離子遷移率和電子結構。

圖1. CaTM₂O₄標準組成的候選晶體結構

結果表明，P型層狀放電材料（P1、P2₁/m、Pmmn）比O3（P2/m）型和尖晶石化合物更穩定。層狀CaTM₂O₄的平均電壓低于Li化合物，但電壓損失小于0.36 V，多價Ca導致更好的重量容量。對于除CaMn₂O₄之外的所有TM物種，Ca離子嵌入反應比轉化反應更有利。

此外，帶電相的熱力學穩定性和TM氧化還原活性對TM的選擇敏感，CaCo₂O₄具有所有考慮的屬性的最佳平衡。通過在層狀CaTM₂O₄中混合Co和Ni證明了組合多個TM以擴展TM取代的化學搜索空間的效用。總之，本研究表明這類材料可能為 Ca 電池正極材料的未來設計開辟了巨大的空間。

圖2. 層狀CaTM₂O₄的電池相關特性總結

Layered Transition Metal Oxides as Ca Intercalation Cathodes: A Systematic First-Principles Evaluation, Advanced Energy Materials 2021. DOI: 10.1002/aenm.202101698

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阿貢實驗室AEM：層狀過渡金屬氧化物作為Ca插層正極的第一性原理評估

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