由于鈣的天然豐度和低氧化還原電位，鈣離子電池（CIB）被認為是有前途的多價離子電池系統。然而由于缺乏可靠的電極材料，其實際應用在很大程度上受到了阻礙。
在此，香港理工大學張標教授、香港科技大學（廣州）黃加強教授等人通過互補的理論和實驗研究展示了一種用于CIB的新型轉換型硒電極，該電極與非水系電解液和水系電解液均兼容。具體而言，作者使用經典的介孔CMK-3碳來容納 Se，通過熔體擴散法合成了Se/CMK-3復合電極，進而探索Ca-Se反應的內在可逆性和穩定性。
電化學測試表明，Se/CMK-3電極在非水系（有機）電解液中在50 mA g-1下可提供476 mAh g-1 的高比容量，平均庫倫效率（CE）為 99.6%，在能量密度方面明顯優于已報道的插層化合物正極。此外，該復合電極還具有500 mA g-1大電流密度下的長期循環穩定性，循環300次后仍可提供150 mAh g-1的可逆容量，CE接近100%。
圖1. Se/CMK-3復合材料的合成過程和結構表征
作者通過SEM/EDS、XPS、UV-vis表征和電化學方法進行的機理研究揭示了Se0 和Se2-之間的逐步轉換，Se可以可逆地轉化為CaSe，其反應路徑是通過多步氧化還原轉化生成中間體CaSex（2 ≤ x ≤ 8）產物。
DFT計算表明，這些中間相很可能包含CaSe4和Ca2Se5，作者首次揭示了其詳細晶體結構。此外，Se/CMK-3電極在水系電解液中也顯示出優異的電化學活性（300 mA g-1下循環50次后可保持190 mAh g-1的可逆容量），并表現出與在非水系電解液中相似的轉化機制。通過將Se/CMK-3負極與銅基普魯士藍正極耦合，作者展示了1.1 V級水系CIB。
總之，這項工作中可逆鈣硒化學的發現為新興的CIB開辟了新的機遇，為探索非水系和水系CIB兼容的高容量電極提供了指導。
圖2. Se/CMK-3電極在水系電解液中的性能及機理分析
Unlocking the Reversible Selenium Electrode for Non-Aqueous and Aqueous Calcium-Ion Batteries, Advanced Functional Materials 2022. DOI: 10.1002/adfm.202200929
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