UT Austin余桂华课题组新进展：室温全液态金属电池

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人类社会的可持续发展依赖于对新能源的有效利用。相比于传统的化石能源，太阳能、潮汐能、风能等环境友好的可再生能源受到了越来越多的关注，然而其随机性、间歇性等特点又需要发展高效快捷的储能技术以满足人类的能源需求。液态金属是一种在常温常压下呈液态、可流动且具有高导电、导热特性的高科技战略新兴材料，基于液态金属的储能装置具有极佳的循环稳定性和功率密度，相比传统的液流电池在能量密度方面也有优势，被视为大规模储能的理想技术。然后，传统的液态金属电池依赖于高熔点的金属材料，一方面，需要较高的工作温度从而保持熔融态的金属；另一方面，基于Pb的液态金属电池的广泛利用还受限于重金属活性物质在人体健康、环境污染方面的问题。因此，开发新型低温、环保、高效的液态金属电池技术为克服传统的高温液态金属电池的缺陷提供了新的思路。

通过系统研究易熔合金并对其润湿行为和界面化学进行全面调控，德州大学奥斯汀分校的余桂华课题组开发了首款室温液态金属全电池。该液态金属全电池以室温液态碱金属合金为负极 （NaK合金），以室温高电位液态金属合金为正极 （GaIn合金），以含氟有机电解液为电解质，以物理气相沉积金纳米层的不锈钢作为集流体。其液态金属负极、电解质、液态金属正极由于密度差异，在重力作用下依次分为三层。该电池不仅具备制备流程简单、维护成本低、循环寿命长等优点，而且其较高的功率密度和能量密度满足了能量型和功率型双重应用特点，具有很大的潜力。使用GaInSn三元合金（熔点：零下19摄氏度）做正极，该电池工作温度可以进一步降至0°C以下，电池成本也可以进一步降低通过使用GaSn二元合金。

由于在物理气相沉积金纳米层的集流体上固液吸附力增强，因此液态金属具有极佳的浸润性，进而促进了电荷的传输。进一步的界面化学研究表明，液态NaK合金与含氟电解液之间会形成稳定的化学界面，作者通过使用飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）实验手段结合分子动力学模拟方法，首次对该界面层的形成与物理化学性质进行了深入研究，揭示了其特殊的多层结构，并证实了该双层结构在调节载流子的可逆的沉积、溶解过程起着至关重要的作用。

除了降低电池维护成本之外，该室温液态金属全电池还避免使用昂贵易碎的固体电解质,也解决了传统高温液态金属电池由于使用熔融盐基电解质而造成的自放电的问题。在概念验证的电池测试中，该液态金属全电池展现了优异的循环性，稳定的库仑效率，在穿刺实验中也展现了极佳的安全性能。除了应用在大规模储能之外，液态金属具有优异的柔韧性和可拉伸性，因此该液态金属全电池也可以用于柔性可穿戴的电子设备上。尽管目前镓基合金的市场价格相对较高，该文章还详细分析了金属镓在地壳中的分布，鉴于其较高的含量（与铜、镍相当），冶金科学的发展有助于降低镓的成本，同时作者还列举了一系列易熔合金，有望应用在较低工作温度的液态金属电池中。尽管传统液态金属电池优越的性能为大规模使用提供了可能性，但是超高的温度（240~700摄氏度）给包括集流体在内的金属结构材料的选择与设计带来巨大挑战。这项工作展示了如何通过界面科学的研究来设计、优化液态金属电池，降低其工作温度，提高电池性能，同时对于液态金属电池安全高效使用意义重大，有利于其更广泛的商业化应用。

这一成果近期发表在Advanced Materials上，文章的通讯作者是美国UT Austin材料系和机械工程系的余桂华教授。

论文信息：

Y. Ding, X. Guo, Y. Qian, L. Xue, A. Dolocan, G. Yu, "Room-Temperature All-Liquid-Metal Batteries Based on Fusible Alloys with Regulated Interfacial Chemistry and Wetting", Adv. Mater., 2020, 32, 2002577

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202002577

课题组链接：https://yugroup.me.utexas.edu/

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