高：“能量密、度”储能技术

原文发表于《科技导报》2025年第12期《钙基电池：下一代低成本、高能量密度储能技术》

全球能源需求不断增长，钙基电池因其资源丰富、电化学性能优异以及环境友好等优势，被视为下一代高性能储能技术的有力竞争者。然而，钙基电池的发展仍面临多重挑战。《科技导报》邀请彭慧胜院士团队撰文，系统梳理了近年来钙基电池领域的研究进展，并针对当前技术瓶颈，归纳了代表性研究中提出的机制理解与技术策略，探讨了钙基电池在储能场景中的潜在应用前景，为推动钙基电池技术突破提供了理论依据与技术参考。

在电网储能及可再生能源应用需求的推动下，开发新型电池体系成为研究热点。多价金属电池（如钙、锌、镁）因其潜在的高能量密度、资源丰富性和低成本，被认为是一种极具前景的储能方案。在锂资源分布不均且价格波动的背景下，钙基电池展现出显著的成本优势，因此作为多价金属电池的重要代表备受关注。

然而，钙基电池的发展仍面临诸多挑战：

一方面，金属钙的可逆沉积/剥离仅能在特定的非水系电解液中实现，且沉积过程中表面易形成钝化膜，导致库仑效率较低；

另一方面，钙基电池的电解质需具备超过4V的电化学稳定窗口，并通过较弱的库仑相互作用实现钙离子的有效溶剂化，以改善动力学性能并降低正极界面的脱溶剂化能垒。

近年来，研究人员在钙基电池的电极材料和电解液设计方面取得了显著进展（图1）。

图1钙基电池发展历程

1负极材料

金属钙负极具有较高的比容量和较低的电极电势，有望显著提升钙基电池的能量密度。钙金属在实现高效界面反应方面所面临的挑战，既具有金属负极的共性问题，又因其独特的界面化学性质而更加复杂。针对这一问题，近年来研究逐渐转向开发合金负极和嵌入型负极等替代材料，为构建高性能钙基电池提供新路径。

金属钙负极具有高体积比容量和质量比容量，是钙基电池比容量最高的负极材料。然而，金属钙负极的高效可逆沉积/剥离仍面临挑战。在早期研究中，金属钙在有机电解液中难以沉积/剥离，主要原因在于其表面易形成由碳酸钙和氢氧化钙等非导钙离子成分构成的SEI，导致负极严重钝化。这种SEI结构的优化是实现金属钙沉积/剥离的重要因素（图2（a））。

合金负极相比金属钙负极具有更优的电化学稳定性，可有效减少表面钝化，同时缓解枝晶生长，提高循环寿命，因而成为了更具潜力的钙基电池负极材料。通过密度泛函理论评估合金的钙化电压、体积膨胀率和比容量，可筛选出锡、硅、锑、锗、铝等最具潜力的候选材料（图2（b））。其中，钙−锡合金具有高理论容量。Wang等发现锡负极可完全钙化为Ca7Sn6，但体积膨胀高达136.8%，CaSn3合金的体积变化仅7.3%，可缓解结构应力，确保长循环寿命（图2（c））。未来需要进一步研究合金负极的结构优化（如纳米化、多孔结构设计）和界面优化（如SEI设计），以提高其循环稳定性和实际应用潜力。

基于钙离子嵌入/