华中科技大学王康丽教授，CEJ：金属钠与熔盐电解质的原位置换反应实现高性能钠基液态金属电池

第一作者：周浩

通讯作者：李浩秒*，王康丽*

单位：华中科技大学

电化学储能是解决可再生能源高效接入电网的关键技术，也是我国双碳战略目标的重要支撑。钠基液态金属电池采用液态钠金属电极与熔盐电解质，具有长寿命、高安全、大容量的优势，在规模电力储能领域极具应用前景。然而，金属钠在熔融卤化钠中的溶解导致电池自放电严重，是制约钠基液态金属电池实际应用的关键问题。设计多阳离子电解质设计被认为是抑制金属Na溶解度的主要策略之一。然而，现阶段对于金属钠在熔盐电解质中的溶解机制尚不清楚，金属钠与其他阳离子组元与电极的兼容性缺乏分析，制约了高效稳定钠基液态金属电池的发展。

近日，来自华中科技大学的王康丽教授团队在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“In situ displacement reactions of molten sodium anode and multi-cationic halide electrolytes enabling high-performance liquid metal batteries”的文章。该论文设计了LiCl-NaCl-KCl多元阳离子熔盐电解质，构建了Na|LiCl-NaCl-KCl|Sb-Bi电池体系，在450 ℃下电池能够实现90%以上的库伦效率；揭示了金属Na与熔盐电解质组元间的置换反应机制，并阐明了这一反应机制对电池电化学性能的影响规律；进一步构建了基于置换反应的无Na⁺熔盐电解质，实现钠基液态金属电池稳定运行超过2500圈，容量保持率近100%，库伦效率98%以上。

设计多阳离子电解质能够有效抑制金属Na在熔盐电解质中的溶解，降低熔盐电解质熔点。现阶段，熔盐电解质中非钠阳离子与金属钠的热力学相容性未曾被仔细考虑，制约了高性能钠基液态金属电池发展。对此，作者采用ICP-AES结合XRD等非原位表征手段，揭示了金属Na与熔融LiCl-NaCl-KCl之间存在“Na + LiCl = Li + NaCl”这一置换反应过程，并进一步计算了该反应达到平衡时的负极组成与反应平衡常数，深入分析了该反应机制对电池电化学性能的影响。

高温条件下，在金属与熔盐共存的体系中，环境的压力通常会对反应产生显著影响，这主要与部分物质的蒸气压发生显著变化有关。作者研究了开放环境中（恒压），金属Na与LiCl-NaCl-KCl共熔前后的元素变化，分析了熔盐电解质中金属K的挥发过程。研究了环境压力对电池容量衰减的影响规律，指导优化了电池装配工艺。

作者在Na与LiCl的置换反应机制研究的基础上，构建了一类无Na⁺的熔盐电解质LiCl-KCl，通过电池运行过程中负极与电解质的置换反应原位产生Na⁺，这种原位自适应构建的钠离子含量的电解质可以最大程度地抑制Na的溶解。基于上述电解质所构建的Na||Bi9Sb电池能够以高于98%的库伦效率稳定运行超过2500圈，容量几乎无衰减，自放电电流密度仅0.12 mA/cm²。上述研究结果为高溶解性负极液态金属电池的长效稳定服役提供了新的思路。

In situ displacement reactions of molten sodium anode and multi-cationic halide electrolytes enabling high-performance liquid metal batteries

李浩秒博士简介：华中科技大学电气与电子工程学院讲师，2016年毕业于华中科技大学材料科学与工程学院，获博士学位；研究方向为面向规模电力储能的新型电化学储能技术，在新型液态金属电池方面取得了系列创新成果；先后在Adv. Energy Mater.，Energy Environ. Sci.等国际期刊发表SCI论文40余篇，申请发明专利20余项，编写标准3项，获工信部先进储能大赛技术创新奖，主持基金委面上、青年项目2项，校企合作项目多项，参与国家重点研发计划项目、基金委重点项目等多项。

王康丽教授简介：华中科技大学电气与电子工程学院教授，国家优秀青年基金获得者，湖北省楚天学者、百人计划入选者。2006年获武汉大学博士学位。2007至2012年在美国Auburn University、Massachusetts Institute of Technology （MIT） 从事博士后研究，2013年入职华中科技大学。研究方向为面向电网的新型电化学储能技术和新型能源材料的基础应用研究。主持国家自然科学基金3项，国家重点研发计划课题1项，国家电网公司前瞻性项目1项，参与青年973项目，湖北省技术创新专项重大项目，国网公司的科学技术项目等。迄今在Nature，Energy Environ. Sci.，Adv. Energy Mater.等国际权威学术期刊发表学术论文100余篇；申请中国专利70余项，已获得授权专利30余项，授权美国发明专利1项。