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一种用于电网储能的高性能室温 Li Ga-Sn 液态金属电池
- 分类：行业新闻
- 作者：王恺钊
- 来源：前沿液态金属
- 发布时间：2023-03-21 16:57
【概要描述】理工大学教授胡劲团队采用镓-锡（Ga-Sn）合金微米液滴作为室温液态金属电池（LMB）正极材料，通过在集流体表面沉积一层薄涂层以改善合金润湿性，表现出良好的循环可逆性和可忽略不计的自放电。
一种用于电网储能的高性能室温 Li Ga-Sn 液态金属电池
【概要描述】理工大学教授胡劲团队采用镓-锡（Ga-Sn）合金微米液滴作为室温液态金属电池（LMB）正极材料，通过在集流体表面沉积一层薄涂层以改善合金润湿性，表现出良好的循环可逆性和可忽略不计的自放电。
- 分类：行业新闻
- 作者：王恺钊
- 来源：前沿液态金属
- 发布时间：2023-03-21 16:57
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理工大学教授胡劲团队采用镓-锡（Ga-Sn）合金微米液滴作为室温液态金属电池（LMB）正极材料，通过在集流体表面沉积一层薄涂层以改善合金润湿性，表现出良好的循环可逆性和可忽略不计的自放电。论文以封面文章形式（如下图）发表于期刊《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学稀贵金属研究中心博士王恺钊，通讯作者为胡劲教授。
本文报道了一种具有金属锂阳极和镓-锡（Ga-Sn）合金微米液滴阴极的室温液态金属电池（LMB）。通过对集流体表面改性和细化液态金属液滴阴极的润湿性提高，该LMB表现出良好的循环可逆性和可忽略不计的自放电。结果表明组装的Li||Ga-Sn电池具有令人满意的比容量 (409 mAh g -1) 和高的能量效率 (高达92%）。低熔点 Ga-Sn 合金改善电极反应动力学，赋予 Li||Ga-Sn 体系在不同电流密度下具有较高的放电电压（1C时0.77 V）和较小的极化电压，保证了电池的高库仑效率和良好的倍率性能。该电池在35℃以 1C 倍率循环 60 次后容量没有明显下降。这种室温Li||Ga-Sn电池具有良好的电化学性能、结构简单、易于维护、安全性高等优点，可能是电网储能应用的一个有希望的选择。
能源是未来社会面临的长期挑战。随着可再生能源（例如风能和太阳能）的不断探索，将多余的能量存储到电网中成为最紧迫的要求之一。因此，大规模储能技术的低成本和长寿命是提高可靠性、高效性和稳定性的关键因素，这些性能的提升影响着智能电网应用的能力，且可以提高可再生能源的利用率。电池长期以来一直被认为是最有利的储能解决方案之一，这归因于它们的灵活性、高效率、占地面积小和易于维护。然而，传统可充电电池的充放电因电极体积变化大、内阻大、离子扩散速率慢、枝晶生长等问题，无法满足大规模电网储能应用对低成本和长循环寿命的需求。液态金属电池（LMB）为大规模静态储能技术提供了一种新颖的解决方案。 液体电极不仅具有更稳定的电化学界面和更高的电流密度，而且还改善了枝晶问题。 此外，流动性赋予LMB 非凡的自我修复和卓越的动力学特性。典型的LMB由低电负性和低密度阳极、中等密度电解质和高电负性高密度阴极组成，由于相互不混溶和密度差异，自分为三层，这种自分层的三液层结构大大降低了界面阻力和制造成本。为了适应这种全液体结构，候选电极材料通常是低熔点金属，LMB的电化学过程由两种不同的负电性液态金属合金化/脱合金驱动，为了最大化电势差，选择碱金属或碱土金属（Li、Na、K、Mg、Ca等）作为阳极材料，而电负性较高的液态金属被认为是阴极材料，如铝、镓、锡、铋、锑等。为了提高电池在低温下的比容量和反应动力学性能，设计了以固态锂为阳极、Ga - Sn合金为阴极配合有机电解质的室温LMB DMC)。在35℃下运行时，电池表现出高比容量（0.25C 时为409 mAh g - 1）、高效率（ 1C时的能效为85% ）和高放电电压（0.80 V 甚至接近0.85 V 的 EMF）、高离子电导率，超快速电极-电解质界面的电荷转移动力学和Ga - Sn电极内的快速传质表现（低极化电阻、优异的倍率性能和稳定的循环性能）。这些结果拓宽了在电网储能领域开发室温液态金属电池的视野。
图1. a)涂有 Pt 的不锈钢b)涂有 Au 的不锈钢和c) 涂有 Ag 的不锈钢的计算静电势图,B) GaSn 液体电极的制备路线示意图,C）Ga-Sn球形液滴的SEM图像和平均粒径,D) Ga 和 Sn 的EDS 分析
图2. Ga-Sn液态金属电池的性能：a) Li||Ga-Sn LMB 在0.01 mV s 1 的扫描速率下的循环伏安图。 b) Li||Ga-Sn 电池在0.25C 时的恒电流充放电电压曲线。 c) Li||Ga-Sn 电池的倍率容量（从0.25C 到 5C）。d) 不同倍率的 Li||Ga-Sn 电池库仑效率和能量效率与循环次数的函数关系。e) Li||Ga-Sn 电池在 1C 下的循环稳定性。 f ) Ga-Sn 合金和纯 Ga 电极在35 C 时的奈奎斯特图。 g) Li||Ga-Sn 电池在30 个循环后的 EIS 测试。h) Li||Ga-Sn 电池在 30 个循环后的EIS 测试。
图 3. a) 循环后Ga-Sn 合金电极的 SEM 和EDS 元素映射图像。 b) 0.25C时电池的放电曲线，其中三种状态分别标记为(a)、(b)和(c)。c) Ga-Sn电极在放电过程中的XRD结果。 底物峰用“#”表示。 d）Ga-Sn合金电极在循环前后的XPS光谱，其中Ga为（a），Sn为（b）。e) Ga-Sn合金的电化学反应机理示意图。
综合考虑熔点、电负性、地球丰度、环保、密度等因素，胡劲教授团队设计了一种室温下的Li||Ga -Sn系液态金属电池。采用有机电解质及低熔点液态金属使得电池工作温度降低到 35℃ ，同时实现大比容量(409 mAh g - 1 )和高能效率（高达 92%）。低工作温度不仅有效规避了传统高温液态金属电池在热管理方面的腐蚀和密封风险，而且改善了熔盐基电解质的自放电情况。此外，由于在集流体表面沉积Pt 有利于固-液吸附能增强，提高液态金属正极材料润湿性。与块状材料相比，微米液态金属液滴为锂存储提供了丰富的活性位点，有助于实现高可逆容量和高倍率性能。低熔点Sn合金可以构建快速的锂扩散路径，加速锂离子的扩散，改善液态金属电池的电极反应动力学。与Li||Ga体系相比，双组分不仅可以提供更小的极化电压和更高的比容量，而且在不同的充电/放电额定值下表现出优异的倍率性能和循环可逆性。目前镓的市场价格相对较高，但其高地壳丰度预示着未来巨大的低成本机会。这种室温 Li||Ga - Sn 电池的低工作温度和高性能可能是电网储能的一个有前途的替代应用方案。
文稿整理：杨志恒 邓华铭
编辑：高翔
责编：王彧晗
原文链接:https://doi.org/10.1002/ente.202170091
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