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一種用于電網(wǎng)儲(chǔ)能的高性能室溫 Li Ga-Sn 液態(tài)金屬電池
- 分類：行業(yè)新聞
- 作者：王愷釗
- 來(lái)源：前沿液態(tài)金屬
- 發(fā)布時(shí)間：2023-03-21 16:57
【概要描述】理工大學(xué)教授胡勁團(tuán)隊(duì)采用鎵-錫（Ga-Sn）合金微米液滴作為室溫液態(tài)金屬電池（LMB）正極材料，通過(guò)在集流體表面沉積一層薄涂層以改善合金潤(rùn)濕性，表現(xiàn)出良好的循環(huán)可逆性和可忽略不計(jì)的自放電。
一種用于電網(wǎng)儲(chǔ)能的高性能室溫 Li Ga-Sn 液態(tài)金屬電池
【概要描述】理工大學(xué)教授胡勁團(tuán)隊(duì)采用鎵-錫（Ga-Sn）合金微米液滴作為室溫液態(tài)金屬電池（LMB）正極材料，通過(guò)在集流體表面沉積一層薄涂層以改善合金潤(rùn)濕性，表現(xiàn)出良好的循環(huán)可逆性和可忽略不計(jì)的自放電。
- 分類：行業(yè)新聞
- 作者：王愷釗
- 來(lái)源：前沿液態(tài)金屬
- 發(fā)布時(shí)間：2023-03-21 16:57
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理工大學(xué)教授胡勁團(tuán)隊(duì)采用鎵-錫（Ga-Sn）合金微米液滴作為室溫液態(tài)金屬電池（LMB）正極材料，通過(guò)在集流體表面沉積一層薄涂層以改善合金潤(rùn)濕性，表現(xiàn)出良好的循環(huán)可逆性和可忽略不計(jì)的自放電。論文以封面文章形式（如下圖）發(fā)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(xué)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(bào)道了一種具有金屬鋰陽(yáng)極和鎵-錫（Ga-Sn）合金微米液滴陰極的室溫液態(tài)金屬電池（LMB）。通過(guò)對(duì)集流體表面改性和細(xì)化液態(tài)金屬液滴陰極的潤(rùn)濕性提高，該LMB表現(xiàn)出良好的循環(huán)可逆性和可忽略不計(jì)的自放電。結(jié)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(dá)92%）。低熔點(diǎn) Ga-Sn 合金改善電極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，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(shí)0.77 V）和較小的極化電壓，保證了電池的高庫(kù)侖效率和良好的倍率性能。該電池在35℃以 1C 倍率循環(huán) 60 次后容量沒(méi)有明顯下降。這種室溫Li||Ga-Sn電池具有良好的電化學(xué)性能、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于維護(hù)、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，可能是電網(wǎng)儲(chǔ)能應(yīng)用的一個(gè)有希望的選擇。
能源是未來(lái)社會(huì)面臨的長(zhǎng)期挑戰(zhàn)。隨著可再生能源（例如風(fēng)能和太陽(yáng)能）的不斷探索，將多余的能量存儲(chǔ)到電網(wǎng)中成為最緊迫的要求之一。因此，大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)的低成本和長(zhǎng)壽命是提高可靠性、高效性和穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，這些性能的提升影響著智能電網(wǎng)應(yīng)用的能力，且可以提高可再生能源的利用率。電池長(zhǎng)期以來(lái)一直被認(rèn)為是最有利的儲(chǔ)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(hù)。然而，傳統(tǒng)可充電電池的充放電因電極體積變化大、內(nèi)阻大、離子擴(kuò)散速率慢、枝晶生長(zhǎng)等問(wèn)題，無(wú)法滿足大規(guī)模電網(wǎng)儲(chǔ)能應(yīng)用對(duì)低成本和長(zhǎng)循環(huán)壽命的需求。液態(tài)金屬電池（LMB）為大規(guī)模靜態(tài)儲(chǔ)能技術(shù)提供了一種新穎的解決方案。 液體電極不僅具有更穩(wěn)定的電化學(xué)界面和更高的電流密度，而且還改善了枝晶問(wèn)題。 此外，流動(dòng)性賦予LMB 非凡的自我修復(fù)和卓越的動(dòng)力學(xué)特性。典型的LMB由低電負(fù)性和低密度陽(yáng)極、中等密度電解質(zhì)和高電負(fù)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(jié)構(gòu)大大降低了界面阻力和制造成本。為了適應(yīng)這種全液體結(jié)構(gòu)，候選電極材料通常是低熔點(diǎn)金屬，LMB的電化學(xué)過(guò)程由兩種不同的負(fù)電性液態(tài)金屬合金化/脫合金驅(qū)動(dòng)，為了最大化電勢(shì)差，選擇堿金屬或堿土金屬（Li、Na、K、Mg、Ca等）作為陽(yáng)極材料，而電負(fù)性較高的液態(tài)金屬被認(rèn)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(yīng)動(dòng)力學(xué)性能，設(shè)計(jì)了以固態(tài)鋰為陽(yáng)極、Ga - Sn合金為陰極配合有機(jī)電解質(zhì)的室溫LMB DMC)。在35℃下運(yùn)行時(shí)，電池表現(xiàn)出高比容量（0.25C 時(shí)為409 mAh g - 1）、高效率（ 1C時(shí)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(dǎo)率，超快速電極-電解質(zhì)界面的電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)和Ga - Sn電極內(nèi)的快速傳質(zhì)表現(xiàn)（低極化電阻、優(yōu)異的倍率性能和穩(wěn)定的循環(huán)性能）。這些結(jié)果拓寬了在電網(wǎng)儲(chǔ)能領(lǐng)域開(kāi)發(fā)室溫液態(tài)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(jì)算靜電勢(shì)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(tài)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(huán)伏安圖。 b) Li||Ga-Sn 電池在0.25C 時(shí)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(kù)侖效率和能量效率與循環(huán)次數(shù)的函數(shù)關(guān)系。e) Li||Ga-Sn 電池在 1C 下的循環(huán)穩(wěn)定性。 f ) Ga-Sn 合金和純 Ga 電極在35 C 時(shí)的奈奎斯特圖。 g) Li||Ga-Sn 電池在30 個(gè)循環(huán)后的 EIS 測(cè)試。h) Li||Ga-Sn 電池在 30 個(gè)循環(huán)后的EIS 測(cè)試。
圖 3. a) 循環(huán)后Ga-Sn 合金電極的 SEM 和EDS 元素映射圖像。 b) 0.25C時(shí)電池的放電曲線，其中三種狀態(tài)分別標(biāo)記為(a)、(b)和(c)。c) Ga-Sn電極在放電過(guò)程中的XRD結(jié)果。 底物峰用“#”表示。 d）Ga-Sn合金電極在循環(huán)前后的XPS光譜，其中Ga為（a），Sn為（b）。e) Ga-Sn合金的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理示意圖。
綜合考慮熔點(diǎn)、電負(fù)性、地球豐度、環(huán)保、密度等因素，胡勁教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種室溫下的Li||Ga -Sn系液態(tài)金屬電池。采用有機(jī)電解質(zhì)及低熔點(diǎn)液態(tài)金屬使得電池工作溫度降低到 35℃ ，同時(shí)實(shí)現(xiàn)大比容量(409 mAh g - 1 )和高能效率（高達(dá) 92%）。低工作溫度不僅有效規(guī)避了傳統(tǒng)高溫液態(tài)金屬電池在熱管理方面的腐蝕和密封風(fēng)險(xiǎn)，而且改善了熔鹽基電解質(zhì)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(qiáng)，提高液態(tài)金屬正極材料潤(rùn)濕性。與塊狀材料相比，微米液態(tài)金屬液滴為鋰存儲(chǔ)提供了豐富的活性位點(diǎn)，有助于實(shí)現(xiàn)高可逆容量和高倍率性能。低熔點(diǎn)Sn合金可以構(gòu)建快速的鋰擴(kuò)散路徑，加速鋰離子的擴(kuò)散，改善液態(tài)金屬電池的電極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。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(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)可逆性。目前鎵的市場(chǎng)價(jià)格相對(duì)較高，但其高地殼豐度預(yù)示著未來(lái)巨大的低成本機(jī)會(huì)。這種室溫 Li||Ga - Sn 電池的低工作溫度和高性能可能是電網(wǎng)儲(chǔ)能的一個(gè)有前途的替代應(yīng)用方案。
文稿整理：楊志恒 鄧華銘
編輯：高翔
責(zé)編：王彧晗
原文鏈接:https://doi.org/10.1002/ente.202170091
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