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新一代高能量密度液態(tài)金屬電池的設(shè)計(jì)原則與應(yīng)用

時(shí)間:2021-06-12 15:31來源:能源學(xué)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(dòng)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(jìn)入了研究人員的視野。然而，金屬負(fù)極雖然具有優(yōu)越的高能量密度、高功率和高容量等特點(diǎn)，卻有無法避免的枝晶生成、界面不穩(wěn)定性等特點(diǎn)，嚴(yán)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(zhì)上避免了枝晶問題，并且具有許多超出固態(tài)負(fù)極的優(yōu)越性，從而使得高能量金屬負(fù)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(chǔ)能領(lǐng)域的研究，就設(shè)計(jì)原則與應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)，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?yàn)椴痪鶆虻碾姵练e與晶格生長的本征特性，并會(huì)帶來短路和內(nèi)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(duì)于傳統(tǒng)的金屬和合金而言具有較低的熔點(diǎn)，并且因其液態(tài)的特性，在保持與鋰金屬相近的反應(yīng)電位同時(shí)卻不會(huì)產(chǎn)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(xué)奧斯汀分校的余桂華課題組在該領(lǐng)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(guān)的基礎(chǔ)原理開始，提出了現(xiàn)階段研究中基于力學(xué)、熱力學(xué)、電化學(xué)、界面化學(xué)等不同角度對(duì)于低溫液態(tài)金屬材料性質(zhì)的理解，并分類總結(jié)了由液態(tài)金屬不同性質(zhì)而得以實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用與電池設(shè)計(jì)，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(xué)頂級(jí)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(lǐng)域應(yīng)用的中的主要特點(diǎn)與優(yōu)勢。
 
【內(nèi)容表述】

       1 基于液態(tài)金屬的理論基礎(chǔ)
 
      低熔點(diǎn)合金在電化學(xué)過程中的相轉(zhuǎn)變與熱力學(xué)過程中的相轉(zhuǎn)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(diǎn)與穩(wěn)定在某一溫度時(shí)的穩(wěn)定相產(chǎn)生變化。由于粒子間距與晶格結(jié)構(gòu)的不同，動(dòng)力學(xué)上也會(huì)使得材料的反應(yīng)活度產(chǎn)生變化。因而，在實(shí)際的電化學(xué)反應(yīng)中，過電勢也會(huì)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(qiáng)的金屬間相互作用力，在許多表面上會(huì)顯示出較大的表面張力，這使得選擇一個(gè)合適的電極變成了使用液態(tài)金屬電極的至關(guān)重要的一點(diǎn)。與常規(guī)液體不相同的是，液態(tài)金屬由于其活潑的化學(xué)性質(zhì)，會(huì)在表面形成化合物薄膜并且改變其浸潤性。另外，在化學(xué)反應(yīng)的誘導(dǎo)下，液態(tài)金屬在某些多空和纖維基底中借由毛細(xì)現(xiàn)象會(huì)表現(xiàn)出大幅增強(qiáng)的浸潤性。
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       包括Na-K合金在內(nèi)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(zhuǎn)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(shè)計(jì)中被選擇來做氧化還原對(duì)。其中在金屬離子的選擇上，界面化學(xué)起到了至關(guān)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(fù)極。在鋰離子嵌入與脫出的過程中，這種合金會(huì)在液態(tài)與固態(tài)之間循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)自修復(fù)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(shù)的進(jìn)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(chǔ)能形式。而液態(tài)金屬的變形性與流動(dòng)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?yàn)橐簯B(tài)金屬的可變形性與表面性質(zhì)，使其在納米技術(shù)中的應(yīng)用前景廣泛�；谝簯B(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(zhì)，液態(tài)金屬也作為電極或電解質(zhì)表面的涂層用來解決接觸問題。而基于液態(tài)金屬獨(dú)特的界面化學(xué)性質(zhì)，液態(tài)金屬與電介質(zhì)形成的分解產(chǎn)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(guān)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(gè)極具前景的高能量密度電池的組成部件，固態(tài)電解質(zhì)因?yàn)闊o法像液態(tài)電介質(zhì)一樣浸潤電極表面，而一直面臨著嚴(yán)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(gè)問題，使得二者的商業(yè)化成為可能。
 
       3 核心結(jié)論與未來的發(fā)展方向
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圖2. 液態(tài)金屬于儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用前景。
 
       低溫液態(tài)金屬作為新興起的儲(chǔ)能材料有著優(yōu)秀的性能和良好的應(yīng)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(xué)性質(zhì)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(yáng)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(chǔ)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(yīng)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(zé)任編輯：子蕊)
文章標(biāo)簽： 電池 液態(tài)金屬電池
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