赵海雷教授， Small观点：Sb70Ag30合金正极：锂化诱导形成的Li2AgSb/Li3Sb互穿网络实现高能量/功率密度液态金属电池

第一作者：褚鹏

通讯作者：王捷*，赵海雷*

单位：北京科技大学，中国民航大学

随着全球能源转型加速，电化学储能技术在解决可再生能源间歇性和波动性问题上扮演着关键角色。在各种电化学储能技术中，液态金属电池因其长循环寿命、高安全性和制造工艺简单等优点备受关注。锑（Sb）作为一种理论电压高、储量丰富的正极材料，虽潜力显著，却也面临着熔点较高和倍率性能受限（固态Li₃Sb层中锂扩散缓慢）的挑战，从而限制了其实际应用。传统改进策略多聚焦于降低锑的熔点，但这往往以牺牲能量密度为代价，且在高倍率下电池的倍率性能仍不理想，电池能量效率依旧较低。因此，对先进的Sb基液态金属电池而言，如何通过设计新型Sb基正极，协同实现工作温度降低、能量密度/功率密度提升，仍是当下面临的重要挑战。

近日，来自北京科技大学的赵海雷教授团队与中国民航大学刘洪丽教授团队的褚鹏博士合作，在国际知名期刊Small上发表了题为“Sb₇₀Ag₃₀ alloy cathode: lithiation-induced Li₂AgSb/Li₃Sb interpenetrating network enables high energy/power density liquid metal batteries”的研究论文。该工作提出了一种新型低熔点Sb₇₀Ag₃₀合金正极，其借助新颖的锂化机制，能够在较高电压下（~1.08 V）可逆形成三元Li₂AgSb化合物，并同步原位构筑独特的Li₂AgSb/Li₃Sb双连续互穿相结构，有效缓解了固态Li₃Sb产物层对反应动力学的限制，实现了Sb基液态金属电池较高的能量密度和功率密度。

研究人员设计了Sb₇₀Ag₃₀合金正极，通过不同放电深度下正极的物相组成与微观结构分析，揭示Sb₇₀Ag₃₀正极的电化学反应机理和正极结构的动态演变特点。放电过程中，该正极会依序经历Li₂AgSb三元化合物生成反应、Li₃Sb相生成反应和Li₂AgSb相的转化反应过程。其中，Li₂AgSb的生成电压可达~1.08 V，且该电化学反应过程表现出高度可逆性。较高的Li₂AgSb生成电位和合金正极中较高的Sb含量共同为电池实现高能量密度奠定了基础。

在Sb₇₀Ag₃₀合金的放电过程中，原位生成的Li₂AgSb与Li₃Sb相相互交织，形成了独特的三维互穿网络结构。密度泛函理论（DFT）计算表明，Li₂AgSb相具有较低的锂迁移能垒和较窄的带隙，能够为正极中的锂/电子传输提供快速的三维通道。相较于单一的Li₃Sb相产物层，该互穿网络结构有效促进了电荷传输，提升了电极反应动力学。实验结果同时表明，Sb₇₀Ag₃₀正极在放电过程中表现出更高的锂扩散系数，再次证实了Li₂AgSb相在构建快速锂传输通道方面的关键作用。这种放电原位形成的Li₂AgSb与Li₃Sb高度分散且紧密复合的正极结构，为实现高倍率特性液态金属电池奠定了结构基础。

所构建的Li||Sb₇₀Ag₃₀电池表现出优异的综合电化学性能：在0.6 A cm⁻²的电流密度下，其能量密度可达345.18 Wh kg⁻¹；在2 A cm⁻²的电流密度下，电池的放电电压仍能维持在0.56 V，对应功率密度达537 W kg⁻¹。上述性能均优于已报道的Sb基液态金属电池体系（如Li||Sb-Pb、Li||Sb-Sn、Li||Sb-Bi等）。长循环性能测试显示，Li||Sb₇₀Ag₃₀电池具有良好的循环稳定性。优异的能量/功率特性及循环稳定性，使其在规模化储能领域展现出良好的应用前景。该研究为液态金属电池合金正极设计提供了新思路，为开发兼具高能量与高功率特性的液态金属电池体系奠定了基础，有望推动该技术在电网储能等领域的实际应用。

“Sb₇₀Ag₃₀ alloy cathode: lithiation-induced Li₂AgSb/Li₃Sbinterpenetrating network enables high energy/power density liquid metal batteries”

王捷副教授简介：北京科技大学材料科学与工程学院副教授，硕士生导师，入选北京市科协青年人才托举工程，International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials 期刊青年编委。长期以能源储存与转换为研究方向，在储能电池等领域开展材料设计、机理解析与性能研究工作。承担/参与了国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、JG项目以及美国ARPA-E等项目。在 Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Small和Carbon 等期刊上发表学术论文 80 余篇，h 因子 34，参编战略性新兴领域“十四五”高等教育“纳米材料与技术”系列教材1 部，授权发明专利 20 余项。

赵海雷教授简介：北京科技大学材料科学与工程学院教授，博士生导师。2007年入选教育部新世纪人才计划。北京市新能源材料与技术重点实验室常务副主任，北京硅酸盐学会副理事长，中国硅酸盐学会固态离子学理事，《储能科学与技术》《工程科学学报》等学术期刊编委。一直从事新型能源存储与转换材料的研究。主要开展锂（钠）离子电池、液态金属电池、固体氧化物燃料电池等研究。曾主持国家自然科学基金面上和重点项目、国家863、973项目、国家重点研发、国际合作、北京市自然科学基金等。授权国际和国内专利76项。在Adv. Mater., Adv. Energy Mater.，Adv. Funct. Mater.，ACS Nano，Energy Storage Mater., J. Energy Chem.和Chem. Mater.等期刊已发表SCI收录论文320余篇。2014-2024年连续11年入选Elsevier中国高被引学者。

褚鹏博士简介：博士，中国民航大学航空工程学院讲师，硕士生导师。主要从事液态金属电池高电压正极、耐腐蚀集流体以及动力电池热安全方面的研究工作。在J. Energy Chem.，Energy Storage Mater.，Small和Ceram. int.等本领域知名国际期刊发表论文15篇。授权国家发明专利7项。