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新一代高能量密度液態(tài)金屬電池的設計原則與應用

時間:2021-06-12 15:31來源:能源學人 作者:Energist
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【研究背景】

 
       鋰離子電池作為較為穩(wěn)定可靠的能源供給手段正促使著電子和電動力車行業(yè)的飛速發(fā)展,然而隨著不斷增長的能量密度需求,鋰金屬、以及更多堿金屬電池進入了研究人員的視野。然而,金屬負極雖然具有優(yōu)越的高能量密度、高功率和高容量等特點,卻有無法避免的枝晶生成、界面不穩(wěn)定性等特點,嚴重威脅著電池的安全與效率使得其無法被大規(guī)模商業(yè)化。低溫液態(tài)金屬從本質上避免了枝晶問題,并且具有許多超出固態(tài)負極的優(yōu)越性,從而使得高能量金屬負極成為可能。本文基于現(xiàn)階段剛剛起步的低溫液態(tài)金屬勇于儲能領域的研究,就設計原則與應用進行了總結,以為未來的研究提供參考。
 
【工作介紹】
 
       金屬和合金電極在循環(huán)的過程中因為不均勻的電沉積與晶格生長的本征特性,并會帶來短路和內部放熱等可能性。以堿金屬合金與鎵基合金為代表的低溫液態(tài)合金(fusible alloys)相對于傳統(tǒng)的金屬和合金而言具有較低的熔點,并且因其液態(tài)的特性,在保持與鋰金屬相近的反應電位同時卻不會產生枝晶。作為新興的電極材料,液態(tài)金屬的研究尚處于摸索階段。美國德克薩斯大學奧斯汀分校的余桂華課題組在該領域發(fā)表了多篇代表性的研究成果,并在本綜述中從與低溫液態(tài)合金相關的基礎原理開始,提出了現(xiàn)階段研究中基于力學、熱力學、電化學、界面化學等不同角度對于低溫液態(tài)金屬材料性質的理解,并分類總結了由液態(tài)金屬不同性質而得以實現(xiàn)的應用與電池設計,指出了液態(tài)金屬電極較為有前景的發(fā)展方向。該文章發(fā)表在材料學頂級期刊Advanced Materials上,郭雪霖為本文第一作者。
 
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圖1. 液態(tài)金屬在能源領域應用的中的主要特點與優(yōu)勢。
 
【內容表述】

       1 基于液態(tài)金屬的理論基礎
 
      低熔點合金在電化學過程中的相轉變與熱力學過程中的相轉變類似,基于成分與比例的改變,吉布斯自由能隨之改變,從而使得合金的熔點與穩(wěn)定在某一溫度時的穩(wěn)定相產生變化。由于粒子間距與晶格結構的不同,動力學上也會使得材料的反應活度產生變化。因而,在實際的電化學反應中,過電勢也會根據(jù)合金所處的相態(tài)受到不同程度的影響。
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       液態(tài)金屬由于較強的金屬間相互作用力,在許多表面上會顯示出較大的表面張力,這使得選擇一個合適的電極變成了使用液態(tài)金屬電極的至關重要的一點。與常規(guī)液體不相同的是,液態(tài)金屬由于其活潑的化學性質,會在表面形成化合物薄膜并且改變其浸潤性。另外,在化學反應的誘導下,液態(tài)金屬在某些多空和纖維基底中借由毛細現(xiàn)象會表現(xiàn)出大幅增強的浸潤性。
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       包括Na-K合金在內的堿金屬合金具有兩種或以上的堿金屬離子可以作為載荷體在電池中傳輸電荷,其在室溫下大幅度的液態(tài)區(qū)間以及相轉變的可逆性使得該電池體系之中可以有多種載荷體可以在不同的電池設計中被選擇來做氧化還原對。其中在金屬離子的選擇上,界面化學起到了至關重要的作用。而非堿金屬的液態(tài)合金由于本征較為居中的還原電位,并不適合直接作為載荷體,卻由于較大的鋰離子容量可以作為合金負極。在鋰離子嵌入與脫出的過程中,這種合金會在液態(tài)與固態(tài)之間循環(huán),從而實現(xiàn)自修復形貌的電極材料特性。
 
       2 基于液態(tài)金屬的屬性衍生的研究
 
       隨著技術的進步,小到柔性電子、可穿戴電子,大到電車、城市供電,都需要比現(xiàn)有的電池更加靈活多變的儲能形式。而液態(tài)金屬的變形性與流動性卻使得柔性電池、全液態(tài)電池等成為可能。除此之外,也因為液態(tài)金屬的可變形性與表面性質,使其在納米技術中的應用前景廣泛。基于液態(tài)金屬的涂層,不但在納米材料的制備中有所成效,近日也被采用為涂層與填充材料添加到納米電極之中,以保證電荷傳輸?shù)倪B續(xù)性。另外,由于液態(tài)金屬的表面性質,液態(tài)金屬也作為電極或電解質表面的涂層用來解決接觸問題。而基于液態(tài)金屬獨特的界面化學性質,液態(tài)金屬與電介質形成的分解產物則可以作為有選擇性的離子通道來決定載荷體的種類。但界面層并不是唯一的決定因素,電池中的其他部分也起到了至關重要的作用,還有待更深入的研究。值得一提的是,作為另一個極具前景的高能量密度電池的組成部件,固態(tài)電解質因為無法像液態(tài)電介質一樣浸潤電極表面,而一直面臨著嚴重的界面接觸與枝晶問題無法商業(yè)化。液態(tài)金屬則剛好可以避免和解決這兩個問題,使得二者的商業(yè)化成為可能。
 
       3 核心結論與未來的發(fā)展方向
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圖2. 液態(tài)金屬于儲能領域的應用前景。
 
       低溫液態(tài)金屬作為新興起的儲能材料有著優(yōu)秀的性能和良好的應用前景,然而尚有許多問題尚未解決,例如基于堿金屬的液態(tài)金屬較為活潑的化學性質使得困擾絕大多數(shù)電池的可燃性問題依然無法徹底解決。在今后的研究中,研究者們需要揚長避短,最大化液態(tài)金屬的優(yōu)勢,探索其在固態(tài)電池、大規(guī)模儲能、生物與智能柔性材料、以及作為界面添加劑在更多高容量高效率的電極材料中的應用。
 
    X. Guo, Y. Ding, G. Yu, Design Principles and Applications of Next-Generation High-Energy-Density Batteries Based on Liquid Metals, Adv. Mater. 33, 2100052 (2021).https://doi.org/10.1002/adma.202100052

(責任編輯:子蕊)
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