从一定程度上来说，人类所面临的能源危机并非源于能源的不足，而是由于我们无法有效地储存能源。众所周知，太阳能、风能和水能都是可持续且取之不尽的能源来源，并且获取这些能源不会对环境造成任何危害。既然存在如此多清洁而丰富的能源，为什么人类还会陷入能源危机呢？
# 撰文 | 品茶煮酒 编审 | 宇傅
度电成本低于0.1元、能够在700度高温下运行，未来有望取代锂电池......
液态金属电池是一种备受关注的新型能源解决方案，你可能听说过各种关于它的描述，但很可能没有亲眼见过实物。
在西安，有一家名为中锑新能源科技有限公司（以下简称中锑新能源）的液态金属电池新参与者。他们计划在2024年底前开始将其产品投放市场。
最近，该公司的董事长王利群和研发中心副主任莫文非接受了ESPLAZA长时储能网的专访，向我们揭开了液态金属电池的神秘面纱。
01. 从锑矿到锑电池
2021年，美国液态金属电池制造商Ambri成功获得了比尔盖茨等投资者1.44亿美元的融资。这一消息一经公布，西藏华钰矿业股价连续15个交易日出现涨停。中锑新能源的成立与这则消息密切相关。
中国是全球锑储量最大的国家，其中华钰矿业目前可控锑资源量为17万金属吨，海外投资项目塔铝金业可控锑资源量为26.46万金属吨，合计达到43.46万金属吨，占据全球锑储量的约23%。
在如何最大化利用锑矿资源的问题上，Ambri的锑金属电池似乎是一个不错的选择。
中锑新能源的董事长王利群表示：“公司最初计划引进Ambri的技术，但由于各种原因，双方未能达成合作。于是我们开始寻找国内在锑金属电池领域有一定研究进展的团队，偶然的机会下我们接触到了清华大学史翊翔研究团队。”
早在12年前，史翊翔团队就开始进行液态锑金属电池的研发，并且该团队开发的电池完全采用金属锑作为材料，与公司的发展初衷完全契合。因此，双方达成一致，共同成立了中锑新能源。
于2023年2月，北京中锑技术中心（有限合伙）、北京中锑运营管理中心（有限合伙）、鹏辉能源控股子公司鹏辉锂能、北京中锑新能源科技有限公司以及西藏华钰矿业股份有限公司共同发起设立了名为“中锑新能源”的合作项目。
华钰矿业、鹏辉能源以及清华团队之间建立了紧密的合作关系，为中锑新能源的锑电池研发和产业化提供了坚实的保障。
在这个合作中，华钰矿业凭借其领先的锑矿资源储备为中锑新能源的长期发展提供了稳定的战略资源支持。
而鹏辉能源则凭借其庞大的下游市场资源，为中锑新能源的研发和销售提供了市场需求信息和客户资源的有力保障。
02. “两条完全不同的技术路线”
中锑新能源的成立与Ambri公司在某种程度上有一定的联系，但莫文非指出：“尽管我们和Ambri公司的电池都被称为液态金属电池或液态锑电池，但实际上我们走的是两条完全不同的技术路线。”
Ambri公司的液态金属电池严格来说应该被称为液态金属合金电池。
它采用三层液态结构，其中正极使用不活泼的锑金属，也可以使用其他金属如铋、锡等作为替代；负极采用相对活泼的碱金属或碱土金属，如钙、钠等；电解质则是熔融盐。
在电池放电过程中，负极金属（如钙）失去电子，被氧化并进入电解质中，然后经由电解质迁移到正极，在那里与从外部电路传导至正极的电子结合，并与正极（锑）发生合金化反应，形成钙-锑合金。而在充电过程中，这个过程则是相反的。
Ambri公司的液态金属电池在工作温度下，正极、负极和熔盐电解质都处于液态状态。然而，这种三层液态结构存在多种缺陷：为了防止电解质层发生短路，Ambri公司采用了较厚的电解质层，从而增加了离子传导路径，限制了该电池的储能效率。
液态电解质在稳定状态下依靠密度差自动分层，但在震动条件下容易变得不稳定，导致短路，并且活泼的液态金属进一步增加了火灾风险，因此该电池的应用场景会受到限制。
与Ambri公司的产品不同，中锑新能源的液态金属电池在原理上被称为锑空气电池，即电池的充放电过程是金属锑与空气中的氧气发生反应。
莫文非指出：“锑空气电池的正极是空气电极，负极是锑金属电极。在放电过程中，空气中的氧气被还原为氧离子，氧离子通过固体氧化物与负极的液态锑发生反应，生成氧化锑，同时释放电能；而在充电过程中，通过电解或还原氧化剂的方式，将氧化锑重新还原为锑和氧气。”
与三层液态结构相比，锑空气电池只有锑电极是液态的，固态电解质层不存在失稳短路问题。
这使得电解质层的厚度可以压缩到10~100微米，大大降低能量损耗，提高能量效率，并且固态电解质没有失稳的风险，可以长期稳定运行。
03. 优势
首先，该电池具有固有的安全性。由于液态锑金属本身的活泼性远低于目前广泛使用的锂、钠等碱金属或碱土金属，锑在空气中不会发生火灾或爆炸反应。在整个反应过程中，液态反应界面没有固态金属生成，因此不会对电池结构造成本质性的破坏，显著提高了电池的安全性。
第二，锑空气电池具有较高的体积能量密度和长续航能力。目前，锂离子电池的体积能量密度最大约为450瓦时每升，而已开发的工程样机锑空气电池的体积能量密度已达到650瓦时每升，未来还有望进一步提升至1000瓦时每升，远超锂电池和液流电池的能量密度。
另外，与锂电池不同的是，锑电极在能量耗尽后不仅可以通过充电来补充电能，还可以利用多种其他燃料来维持电能。换句话说，锑电池不仅是一种蓄电池，还是一种发电站，可以在储能电池模式和燃料电池模式之间自由切换，实现混合运行，进一步提高续航能力，相较于其他储能电池更具优势。
第三，锑空气电池具有长循环使用寿命。由于在使用过程中，锑空气电池的电极没有损耗，并且具有动态自修复的反应过程，不会出现记忆效应。根据实验数据，锑空气电池的循环次数可超过1万次，使用寿命最长可达约20年。
第四，中国拥有丰富的锑资源储量，不存在资源短缺的问题。
第五，锑空气电池在使用过程中，液态金属电极以锑和氧化锑的形式存在，整个锑电池的生命周期内没有损耗，且回收过程简单，只需将氧化锑还原为锑即可，具有很高的残值。
04. 攻克技术难题
基于以上优势，液态金属电池在储能市场上有望具备一定的竞争力。然而，液态金属电池仍存在一些缺点。
例如，在工作时，液态金属电池需要加热至700度以上，这会导致液态金属具有较高的腐蚀性。
为了解决这个问题，中锑新能源引入了等离子喷涂工艺来制备电解质。通过粉体融-凝过程调控涂层压应力场，提升晶粒结合强度，阻断液态金属沿晶界的传递，显著提高了电解质对液态金属的高温腐蚀性能，将电解质的寿命从十小时级提升至千小时以上。
目前，也有许多团队正在研发中低温/室温液态金属电池。对此，莫文非表示：“首先，在中低温液态金属电池中，选材是一个问题，因为金属的熔点通常较高。要实现中低温液态金属电池，需要开发合金体系，但其在电化学性能方面可能不够理想，因此需要找到更合适的金属，这具有较大的挑战性。其次，温度越低，电池的电化学反应性能越差。”
他继续说道：“高温液态金属电池不仅具有更好的电化学性能，而且金属的选择范围更广，而且纯金属比合金更易于回收利用。”
此外，液态金属电池采用液态电极，相比固态电池，其运行机制更为复杂，带来了许多设计和优化方面的挑战。
为此，史翊翔团队经过多年研究，建立了液态金属电池的多物理场耦合模型，解耦了电池内部复杂反应传递过程中相关作用的关系；
开发了液态金属电池主要运行参数的追踪仿真方法，并提出了液态锑金属电池全充放电周期运行调控策略。
此外，他们还首次提出了基于浮体电解质的电池运行稳定化技术。
同时，该公司还开发了适应多种燃料的液态锑发储电一体电极，以满足不同用户需求实现发电和储能的一体化。
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