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一種用于電網儲能的高性能室溫 Li Ga-Sn 液態金屬電池
- 分類：行業新聞
- 作者：王愷釗
- 來源：前沿液態金屬
- 發布時間：2023-03-21 16:57
【概要描述】理工大學教授胡勁團隊采用鎵-錫（Ga-Sn）合金微米液滴作為室溫液態金屬電池（LMB）正極材料，通過在集流體表面沉積一層薄涂層以改善合金潤濕性，表現出良好的循環可逆性和可忽略不計的自放電。
一種用于電網儲能的高性能室溫 Li Ga-Sn 液態金屬電池
【概要描述】理工大學教授胡勁團隊采用鎵-錫（Ga-Sn）合金微米液滴作為室溫液態金屬電池（LMB）正極材料，通過在集流體表面沉積一層薄涂層以改善合金潤濕性，表現出良好的循環可逆性和可忽略不計的自放電。
- 分類：行業新聞
- 作者：王愷釗
- 來源：前沿液態金屬
- 發布時間：2023-03-21 16:57
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理工大學教授胡勁團隊采用鎵-錫（Ga-Sn）合金微米液滴作為室溫液態金屬電池（LMB）正極材料，通過在集流體表面沉積一層薄涂層以改善合金潤濕性，表現出良好的循環可逆性和可忽略不計的自放電。論文以封面文章形式（如下圖）發表于期刊《A High Performance Room-Temperature Li||Ga-Sn Liquid Metal Battery for Grid Energy Storage[J]. Energy Technology, 2021》（Kaizhao W Jing H. 2021），文章第一作者是昆明理工大學稀貴金屬研究中心博士王愷釗，通訊作者為胡勁教授。
本文報道了一種具有金屬鋰陽極和鎵-錫（Ga-Sn）合金微米液滴陰極的室溫液態金屬電池（LMB）。通過對集流體表面改性和細化液態金屬液滴陰極的潤濕性提高，該LMB表現出良好的循環可逆性和可忽略不計的自放電。結果表明組裝的Li||Ga-Sn電池具有令人滿意的比容量 (409 mAh g -1) 和高的能量效率 (高達92%）。低熔點 Ga-Sn 合金改善電極反應動力學，賦予 Li||Ga-Sn 體系在不同電流密度下具有較高的放電電壓（1C時0.77 V）和較小的極化電壓，保證了電池的高庫侖效率和良好的倍率性能。該電池在35℃以 1C 倍率循環 60 次后容量沒有明顯下降。這種室溫Li||Ga-Sn電池具有良好的電化學性能、結構簡單、易于維護、安全性高等優點，可能是電網儲能應用的一個有希望的選擇。
能源是未來社會面臨的長期挑戰。隨著可再生能源（例如風能和太陽能）的不斷探索，將多余的能量存儲到電網中成為最緊迫的要求之一。因此，大規模儲能技術的低成本和長壽命是提高可靠性、高效性和穩定性的關鍵因素，這些性能的提升影響著智能電網應用的能力，且可以提高可再生能源的利用率。電池長期以來一直被認為是最有利的儲能解決方案之一，這歸因于它們的靈活性、高效率、占地面積小和易于維護。然而，傳統可充電電池的充放電因電極體積變化大、內阻大、離子擴散速率慢、枝晶生長等問題，無法滿足大規模電網儲能應用對低成本和長循環壽命的需求。液態金屬電池（LMB）為大規模靜態儲能技術提供了一種新穎的解決方案。 液體電極不僅具有更穩定的電化學界面和更高的電流密度，而且還改善了枝晶問題。 此外，流動性賦予LMB 非凡的自我修復和卓越的動力學特性。典型的LMB由低電負性和低密度陽極、中等密度電解質和高電負性高密度陰極組成，由于相互不混溶和密度差異，自分為三層，這種自分層的三液層結構大大降低了界面阻力和制造成本。為了適應這種全液體結構，候選電極材料通常是低熔點金屬，LMB的電化學過程由兩種不同的負電性液態金屬合金化/脫合金驅動，為了最大化電勢差，選擇堿金屬或堿土金屬（Li、Na、K、Mg、Ca等）作為陽極材料，而電負性較高的液態金屬被認為是陰極材料，如鋁、鎵、錫、鉍、銻等。為了提高電池在低溫下的比容量和反應動力學性能，設計了以固態鋰為陽極、Ga - Sn合金為陰極配合有機電解質的室溫LMB DMC)。在35℃下運行時，電池表現出高比容量（0.25C 時為409 mAh g - 1）、高效率（ 1C時的能效為85% ）和高放電電壓（0.80 V 甚至接近0.85 V 的 EMF）、高離子電導率，超快速電極-電解質界面的電荷轉移動力學和Ga - Sn電極內的快速傳質表現（低極化電阻、優異的倍率性能和穩定的循環性能）。這些結果拓寬了在電網儲能領域開發室溫液態金屬電池的視野。
圖1. a)涂有 Pt 的不銹鋼b)涂有 Au 的不銹鋼和c) 涂有 Ag 的不銹鋼的計算靜電勢圖,B) GaSn 液體電極的制備路線示意圖,C）Ga-Sn球形液滴的SEM圖像和平均粒徑,D) Ga 和 Sn 的EDS 分析
圖2. Ga-Sn液態金屬電池的性能：a) Li||Ga-Sn LMB 在0.01 mV s 1 的掃描速率下的循環伏安圖。 b) Li||Ga-Sn 電池在0.25C 時的恒電流充放電電壓曲線。 c) Li||Ga-Sn 電池的倍率容量（從0.25C 到 5C）。d) 不同倍率的 Li||Ga-Sn 電池庫侖效率和能量效率與循環次數的函數關系。e) Li||Ga-Sn 電池在 1C 下的循環穩定性。 f ) Ga-Sn 合金和純 Ga 電極在35 C 時的奈奎斯特圖。 g) Li||Ga-Sn 電池在30 個循環后的 EIS 測試。h) Li||Ga-Sn 電池在 30 個循環后的EIS 測試。
圖 3. a) 循環后Ga-Sn 合金電極的 SEM 和EDS 元素映射圖像。 b) 0.25C時電池的放電曲線，其中三種狀態分別標記為(a)、(b)和(c)。c) Ga-Sn電極在放電過程中的XRD結果。 底物峰用“#”表示。 d）Ga-Sn合金電極在循環前后的XPS光譜，其中Ga為（a），Sn為（b）。e) Ga-Sn合金的電化學反應機理示意圖。
綜合考慮熔點、電負性、地球豐度、環保、密度等因素，胡勁教授團隊設計了一種室溫下的Li||Ga -Sn系液態金屬電池。采用有機電解質及低熔點液態金屬使得電池工作溫度降低到 35℃ ，同時實現大比容量(409 mAh g - 1 )和高能效率（高達 92%）。低工作溫度不僅有效規避了傳統高溫液態金屬電池在熱管理方面的腐蝕和密封風險，而且改善了熔鹽基電解質的自放電情況。此外，由于在集流體表面沉積Pt 有利于固-液吸附能增強，提高液態金屬正極材料潤濕性。與塊狀材料相比，微米液態金屬液滴為鋰存儲提供了豐富的活性位點，有助于實現高可逆容量和高倍率性能。低熔點Sn合金可以構建快速的鋰擴散路徑，加速鋰離子的擴散，改善液態金屬電池的電極反應動力學。與Li||Ga體系相比，雙組分不僅可以提供更小的極化電壓和更高的比容量，而且在不同的充電/放電額定值下表現出優異的倍率性能和循環可逆性。目前鎵的市場價格相對較高，但其高地殼豐度預示著未來巨大的低成本機會。這種室溫 Li||Ga - Sn 電池的低工作溫度和高性能可能是電網儲能的一個有前途的替代應用方案。
文稿整理：楊志恒 鄧華銘
編輯：高翔
責編：王彧晗
原文鏈接:https://doi.org/10.1002/ente.202170091
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