郭再萍，周腾飞，Kourosh K.-Zadeh 教授EES：面向未来储能体系-液态金属电池- 大数跨境

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郭再萍，周腾飞，Kourosh K.-Zadeh 教授EES：面向未来储能体系-液态金属电池

科学材料站

2021-06-26

导读：本文系统总结了传统高温液态金属电池和新兴室温液态金属电池的研究，综述了其存在的关键科学问题与挑战

文章信息

Liquid Metal Batteries for Future Energy Storage

第一作者：张仕林，刘野

通讯作者：周腾飞*，Kourosh Kalantar-Zadeh* ，郭再萍*

单位：安徽大学，澳大利亚新南威尔士大学，澳大利亚阿德莱德大学

研究背景

为满足未来集成化、智能化及多场景储能需求，需要进一步拓展现有储能体系研究，如何设计出满足不同场景使用需求的新一代储能装置是化学和材料科学研究领域需要重点关注方向之一。

近来研究发现，可充电液态金属电池以其独特的传质传荷动力学以及独特的液态电极结构，引起了诸多学者的关注。传统液态金属电池需要高温来使电极保持在液体的状态，熔盐作为电解质提可供高离子导率；但是此类电池不仅能量密度不高，高温下复杂的副反应也会导致安全问题，限制了其多场景应用。

为改善这一问题，发展室温或相对较低的温度下运行的液态金属电池，例如镓铟锡合金电池，液态金属合金等高容量电池更具前景。然而，此类新兴液态金属电池研究尚处于初始研究阶段，面临着安全性，经济性以及可持续循环性能等多方面挑战。

文章简介

针对上述问题，来自澳大利亚阿德莱德大学的郭再萍教授，安徽大学的周腾飞教授，以及新南威尔士大学的Kourosh Kalantar-Zadeh教授在系统总结了传统高温液态金属电池和新兴室温液态金属电池的研究基础上，综述了其存在的关键科学问题与挑战。

从电极材料选取、电解液物性调控、电极-电解液界面等方面深入剖析，并尝试通过相关材料表面保护以及器件设计等途径提出了针对此类问题的解决方案。

在此基础上，讨论了新型液态金属电池独特的物理化学性质和性能特征，针对性展望下一代液态金属电池需要具备的相关特性及发展方向。论文发表于国际期刊Energy Environmental Science, 第一作者为来自阿德莱德大学的张仕林研究员和德国柏林洪堡大学的刘野博士。

论文导读

图1. 液态金属电池发展总览

a）液态金属电池发展的时间线；b）液态金属电池的分类。液态金属电池概念可以拓宽到含有液态，固态，乃至气态的电极材料中。c）当前高温和室温液态金属电池的寿命限制和实际应用的关键挑战；d）液态金属电池的理论容量-电压指标的比较，其中包括部分传统室温电池、高温液态金属电池(HTLMBs)和室温液态金属电池(RTLMBs)。

图2. 高温液态金属电池

a）充放电过程中固体金属电极和液体金属电极的金属沉积方式。液态金属由于其独特的液态属性，可以作为理想的负极材料；b）各种潜在液态金属电极材料的电化学参数以及物理性质的比较；c）含有两种成分的共晶金属的相图；d）Li||Sb–Pb电池在电流密度为275 mA cm−2时的循环时库仑效率、能量效率和放电容量密度随循环次数的变化。插图：充放电（第15次循环）期间的电压和电流密度曲线；e）合金电极在HTLMBs中潜在的优缺点。

图3. 电解液的调控及其替代策略

a）部分金属电极材料在熔盐电解液中的溶解度；b）用FactSage软件模拟典型NaI-LiI-KI体系的液相线相图，其熔点最低可低至290°C ；c）HTLMBs中热对流的模拟。电池中心的垂直横截面表明，电解液中的温度远高于任一电极中的温度；d）石榴石型LLZO（左）和钙钛矿型LLTO（右）的示意图；e）从HTLMBs设计的角度说明有效的策略；f）装有多孔法拉第选择性膜的Li–Pb | | PbCl2电池示意图；g）未来高温液态金属电池可能的使用的电解液。

图4. 目前室温液态金属电池中可能存在的问题及潜在解决方法

新兴室温液态金属电池中可能存在的关键科学问题，包括电极材料的浸润性、体积变化、SEI层的稳定和能量密度是RTLMBs的主要问题。

由于RTLMBs使用的电解液和电极材料与传统锂离子电池类似，因此未来RTLMBs的设计在一定程度上可以借鉴传统的锂离子电池的成功经验。

图5. 导致室温液态金属电池失效的可能原因

新兴室温液态金属电池的失效模型

a）图示：Ga基RTLMBs与高电压正极搭配时的主要失效原因：在负极侧，有机配体，粘结剂，导电碳以及本身作为合金负极的体积膨胀和相变对片状Ga基电极的自愈效果会产生影响。在电解液侧，电解液在电化学过程中的分解抑制了循环寿命。

b）图示：NaK基RTLMBs与普鲁士蓝正极搭配时的主要电池失效原因：在负极侧，NaK合金在片状电极制作过程中的不可逆消耗，碳基底的降解以及可能存在的短路问题是主要可能存在的失效原因。

在电解液侧，高活性的NaK合金与电解液不断反应潜在地制约了其循环性能。同时，缺少与NaK合金和电液相匹配的正极是制约此类液态金属电池进一步发展最主要的原因之一。

图6.提高NaK合金电池浸润性的探索

a）碳纸、Na和K金属以及NaK-GICs-C电极的XRD图谱（*代表保护性聚酯薄膜；b）FT-IR图谱；c）Raman图谱；d）XRD图谱；e-i）如何选择合适的基底来制备NaK合金电极。J)-k)：提高NaK合金片状电极浸润性的潜在方案。

图7.提高NaK合金和电解液界面稳定性的初步探索

a) plating/stripping过程中潜在的电解液消耗。b）人工SEI在NaK合金液态金属电池中的优点；c)-g)不同电解液条件下，NaK合金以及引入人工SEI的NaK合金在对称电池中的循环性能与化学组成分析。

文章链接

Liquid Metal Batteries for Future Energy Storage

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ee/d1ee00531f#!divAbstract

通讯作者介绍

郭再萍，澳大利亚阿德莱德大学教授。

曾获得澳大利亚伊丽莎白女王奖、新州州长奖、澳大利亚青年科学家奖等。课题组主要从事储能材料的研究，致力于探究低耗高效的方式合成二次电池电极材料，开发高性能电池，解决可充电池以及其他储能设备中的关键问题。在材料的设计与构筑，物理特性及电化学测试和模拟等方面拥有丰富的知识和经验，并有一套完整的研究体系。在Sci. Adv., JACS, Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., PNAS, Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater.等国际著名期刊发表多篇科研论文，其中if >10超过160篇。论文被引次数超过31000次，H-index为95。2018-2020年入选高被引学者，获Peer Review Awards（Top 1% in Field）。

周腾飞，安徽大学物质科学与信息技术研究院教授，博士生导师。

毕业于澳大利亚伍伦贡大学，师从郭再萍教授，主要从事高比能电极材料，液态金属保护及器件设计研究，并结合原位同步辐射测试技术探究其化学反应演变机理。发表论文80余篇，第一及通讯作者论文包括 Adv. Mater., Angew. Chem., Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater., Adv. Fun. Mater., Adv. Sci., ACS Nano, Environ. Sci. Technol., 以及国产卓越学术期刊InfoMat, Mater. Chem. Front.等。曾获澳大利亚优秀青年基金，入选省部级人才项目2项，主持国家自然科学基金、省自然科学基金、澳大利亚基金委探索项目、澳大利亚核科学与技术组织同步衍射、中子辐射研究计划以及企业横向等项目。

Kourosh Kalantar-Zadeh，现任澳大利亚新南威尔士大学SHARP教授。

主要从事传感器，二维材料，以及液态金属材料领域的研究。作为通讯作者在Science, Nat. Nanotechnology, Nat. Commun., JACS, Energy Environ. Sci., Angew. Chem., Adv. Mater.等期刊发表学术论文，引用超过38000次，H指数为91。获得多项重要奖励与荣誉，包括2018年澳大利亚研究理事会桂冠学者（ARC Australian Laureate Fellow）和2020年罗伯特波义耳分析化学奖（Robert Boyle Prize for Analytical Chemistry, Royal Society of Chemistry）。入选科睿唯安（Clarivate Analytics）/汤姆森路透（Thomson Reuters）材料科学领域的高被引科学家（2018-2020）。