易容金属(余桂华团队ACS Cent Sci：基于易熔合金的下一代液态金属电池)

Posted 2023-05-28

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易容金属(余桂华团队ACS Cent Sci：基于易熔合金的下一代液态金属电池)

本文来自微信公众号：X-MOLNews

人类社会的可持续发展依赖于对新能源的有效利用。相比于传统的化石能源，太阳能、潮汐能、风能等环境友好的可再生能源受到了越来越多的关注，然而其随机性、间歇性等特点又需要发展高效快捷的储能技术以满足人类的能源需求。不同于传统的燃料电池（活性物质与电极的分离）和蓄电池（电化学可逆性），液流电池的活性物质以液态形式存在并分装在储液罐中，因此同时具有可分离的电极活性物质和可逆的充放电性能，综合了能量转换和能量存储的优势，且具有广泛的能量/功率调节自由度和可扩展性，但是其广泛利用受限于较低的能量密度和循环性能和电池隔膜较高的成本。液态金属是一种在常温常压下呈液态、可流动且具有高导电、导热特性的高科技战略新兴材料，基于液态金属的储能装置具有极佳的循环稳定性和功率密度，相比传统的液流电池在能量密度方面也有优势，被视为大规模储能的理想技术。钠硫电池是工作在300摄氏度附近的高温电池，比能量高，效率高，几乎无自放电，深度放电性能好，但是其广泛应用受限于电池高的维护成本，另一方面，考虑到熔融态的硫与金属钠剧烈的反应，高温钠硫电池还具有潜在的安全隐患。开发新型低温、环保、高效的液态金属电池技术为克服传统的高温液态金属电池的缺陷提供了新的思路。

图1. 新型液态金属电池的性能与研究

近日，德州大学奥斯汀分校余桂华教授（点击查看介绍）受邀在美国化学会刊物ACS Central Science 上在线发表了关于液态金属电池的展望论文，从热力学、相变、晶体结构、电化学、冶金学、成本和安全的角度系统总结了易熔合金作为电极材料的性质和优势，并详细介绍了该方向的最新进展，通过对金属合金的理性筛选和界面工程设计、电解液的优化、构筑新型液态金属电池，包括新型熔融态钾硫电池、锂硫电池、Zebra电池、基于钠钾合金和镓基合金的室温液态金属电池等等。

图2. (a) 低共熔混合物的二元相图；(b) Ga-In-Sn三元低共熔混合物的电荷分布图；(c) Ga-In-Sn三元低共熔混合物的结构图

电解质对液态金属电池的运行起着至关重要的作用，一方面电解质与液态金属电极的界面电阻及其离子电导率影响电池的运行温度和功率性能，另一方面电解质与金属电极之间的相容性也会影响电池的库伦效率和循环稳定性。为了实现液态金属钠在固态电解质上良好的浸润性，传统的钠硫电池电池的运行温度在300摄氏度以上，通过优化碱金属与Al2O3固态电解质界面，钾硫电池在150摄氏度的运行温度下实现了超过1000圈的稳定循环。当采用导锂离子的石榴石作为固态电解质，新型的熔融态锂硫和锂硒可以在低于300摄氏度的条件下稳定运行，并分别实现了∼1850 Wh/kg 和 ∼920 Wh/kg的能量密度。

图3. (a) 碱金属与Al2O3固态电解质界面优化；(b)基于石榴石固态电解质的熔融态锂硫、锂硒电池

碱金属作为负极材料具有高比容量和低氧化还原电位。然而碱金属电池的寿命受到碱金属枝晶生长的困扰。枝晶电沉积是固态碱金属的固有特性，而液态碱金属合金作为负极材料有望解决碱金属的枝晶的问题。钠和钾能在室温下形成液态合金，为根本性地解决碱金属的枝晶问题提供了一种有效的方法。通过设计多孔的集流体承载液态金属，可以解决其流动性的问题，同时采用真空渗透或者电化学反应诱导的方式，解决了液态金属由于较大的表面张力而润湿性差的问题。研究人员进一步设计了一系列基于不同正极材料的钠钾合金液态金属电池，并深入研究了正极材料、电解液、固态电解质界面层对载流子的影响。利用液态金属优异的机械性质，还可以设计柔性电池；通过电化学置换的方法还可以在电池循环过程中原位形成钠钾合金，为钠钾合金的广泛应用提供了便捷、安全的制备方法。

图4. 基于室温钠钾合金的液态金属电池设计

最后，该论文最后讨论了液态金属电池当前所面临的挑战，并展望了该领域的发展前景，总结了通过新型电解液设计、界面化学分析、合金共沉淀研究，并综合电化学分析和理论模拟计算的方法对液态金属的电化学性能优化。基于大规模储能电池的性能指标，包括能量密度、功率密度、库伦效率和生产成本、制备工艺、操作条件等等，详述了液态金属电池的大规模应用前景。

图5. 下一代液态金属电池设计

Next-generation liquid metal batteries based on chemistry of fusible alloys

Yu Ding, Xuelin Guo, Guihua Yu*

ACS Cent Sci., 2020, DOI: 10.1021/acscentsci.0c00749

课题组介绍

余桂华，美国德克萨斯大学奥斯汀分校材料科学与工程系，机械系终身教授，英国皇家化学学会会士（FRSC）和皇家物理学会会士（FInstP）。

余桂华教授课题组的研究重点是新型功能化纳米材料的合理设计和合成，尤其是对能源和环境凝胶材料的开创性研究，对其化学和物理性质的表征和探索，以及推广其在能源，环境和生命科学领域展现重要的技术应用。目前已在Science, Nature, Nature Reviews Materials, Nature Materials, Nature Nanotechnology, Nature Communications, Science Advances, PNAS, Chemical Reviews, Chemical Society Reviews, Accounts of Chemical Research, JACS, Angewandte Chemie, Advanced Materials, Energy & Environmental Sciences, Chem, Joule, Nano Letters, ACS Nano, Nano Today, Mater. Today等国际著名刊物上发表论文180余篇，论文引用30,300次，H-index 88。

现任 ACS Materials Letters 副主编，是近二十个国际著名化学和材料类科学期刊的顾问编委，如Chemical Society Reviews (RSC), ACS Central Science, Chemistry of Materials (ACS), Chem, Cell Reports Physical Science (Cell Press), Nano Research (Springer), Scientific Reports (Nature Publishing), Energy Storage Materials (Elsevier), Science China-Chemistry, Science China-Materials (Science China Press), Energy & Environmental Materials (Wiley-VCH) 等。

课题组链接

https://www.x-mol.com/university/faculty/37838

https://yugroup.me.utexas.edu

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