【FIE综述文章】清华大学刘静教授：镓基室温液态金属电池的总结与展望

研究亮点

    本文对镓基室温液态金属作为主反应电极、辅反应电极和连接电极在电池领域的应用进行了总结与展望。

（1）从电池结构、工作机理和电池功能三个方面对镓基液态金属作为主要工作电极的一次电池和二次电池进行了总结与概括；

（2）讨论了镓基液态金属作为辅助功能电极在锂电池和非锂电池中的应用；

（3）分别阐述了镓基液态金属在光伏太阳能电池、纳米发电机、超级电容器等多场景中作为连接电极的应用；

（4）对镓基液态金属作为多种电池的电极材料进行了总结和展望，并指出镓基液态金属电池系统在创新电池电化学、内在反应机理、多功能集成等方面还有待进一步探索。

中文摘要

   近年来，可变形器件和皮肤电子器件的发展迅速，对柔性电池的需求日益迫切。在频繁的变形下，具有本征柔性和延展性的电极材料是延长设备寿命的关键。镓基室温液态金属（GBRTLMs）具有与生俱来的流动性、金属性和生物相容性，是满足柔性电池需求的潜在候选材料。

    为说明液态电极的优势，本文从原理、应用、优点、缺点等方面对高温液态金属电池（HTLMBs）进行了简要总结。之后对镓基室温液态金属在电池领域的应用分为主反应电极、辅反应电极和连接电极分别展开讨论：首先，从电池结构、工作机理和电池功能三个方面对镓基液态金属作为主要工作电极的一次电池和二次电池进行了概括；其次，讨论了镓基液态金属作为辅助功能电极在锂电池和非锂电池中的应用，其作为功能性自修复添加剂，延缓电池系统失效的同时提高了电池系统的循环稳定性和容量；此外，分别阐述了镓基液态金属在光伏太阳能电池、纳米发电机、超级电容器等多场景中作为连接电极的应用。最后，对镓基液态金属作为多种电池的电极材料进行了总结和展望，并指出镓基液态金属电池系统在创新电池电化学、内在反应机理、多功能集成等方面还有待进一步探索。

研究背景及意义

   可穿戴皮肤电子、传感器和柔性机器人系统等可变形设备的迅速发展，大大推动了对柔性能源供应设备的开发与探索。电能使用过程中转换效率高且没有废气，是目前最通用、最方便的能源供应形式。电化学电池是最常见的电能供应设备，然而，传统的刚性电池已经成为柔性设备发展的瓶颈，亟待变革。与此同时，近年来出现了一系列新兴发电技术如纳米发电机、超级电容器及太阳能光伏电池等。

    为满足可变形器件的要求，在弹性体基底上涂覆一层很薄的固体材料，或者在柔性基底上采用特殊设计的结构将固体材料连接起来，是柔性电池的两种常用策略。精心设计的结构如折纸、剪纸、弹簧、蛇形结构、岛-桥结构等已经出现在电池中；复杂的操作工艺如电子束蒸发、光刻等也在电池领域被广泛探索。然而，复杂的工艺通常对制造时间及成本提出了很高的要求，且无论结构和工艺多么精细，本征坚硬的固体材料并不能承受频繁的变形和运动。只有本征柔性的液体材料才能完美地适用于可变形柔性设备。

    众所周知，大多数金属及合金在室温下是固体状态。碱金属及其合金、汞、镓金属及其合金在常温下呈现液态。金属汞作为最早使用的液态金属，因其生物环境毒性而被禁止使用；低熔点碱金属如钫、铷、铯则因强烈的金属活性而在应用上受限。钠钾合金熔化温度低，与结构材料和燃料相容性好，是核反应堆中常用的冷却剂，但反应活性极强，遇水会发生爆炸反应，限制了日常生活中的应用场景。因此，生物毒性和金属活性更安全的金属镓是应用更为广泛的室温液态金属。镓基液态金属在能量产生、存储及转化一系列能源领域得到了广泛的应用，是实现柔性可变性电池的潜在电极材料。

研究内容及主要结论

     液态电极具有优异的动力学性能，高温全液态金属电池由两个液态金属电极及熔融盐电解液电解质组成，具有低成本、长寿命及电网级大规模能量存储的优势，但是对温度要求高（>200℃）且对运动敏感，只能实现静态能量存储，不适合应用于移动设备及皮肤电子领域。镓基液态金属具有优异的流动性和金属性、足够的安全性、相对负的标准电极电势、自修复以及可被图案化的能力，因此是满足柔性电池需求的候选电极材料。

    镓基室温液态金属在电池领域的应用按照其所起功能分为主反应电极、辅反应电极和连接电极分别展开讨论。首先，对镓基液态金属作为主要工作电极的研究进行总结与概括，从电池构造、工作机理和电池功能三个方面展开了讨论，镓基液态金属的独特性质使电池系统可以有三明治结构、纤维状、3D打印模板等多种多样的柔性构造形式，且可以应用于移动设备并和柔性电子集成，在拉伸、弯曲等情况下保持电能的供应；其次，镓基液态金属作为辅助功能电极在锂电池和非锂电池中有广泛应用，其主要作用是功能性自修复添加剂，在延缓电池系统失效的同时提高了电池系统的循环稳定性和容量；此外，分别阐述了镓基液态金属作为柔性连接电极在光伏太阳能电池、纳米发电机、超级电容器等多场景中的应用。

    镓基室温液态金属的金属性是其可以作为电极的前提，其流动性是快速响应和实现自愈特性的保证；这类物质材料的安全性保证了它可以在日常生活中广泛应用。作为主要的反应电极，镓基液态金属赋予了电池柔性、可穿戴、可打印等独特的功能，但是已报道的大多数为原电池，具有较高理论容量和能量密度的新型对电极材料仍有待研究；在辅助功能电极方面，其自愈性能显著延长了电池的性能和寿命，但是其自愈合能力有限且自愈合机制仍需进一步研究探索；作为连接电极，镓基液态金属已应用于多种场景，使柔性自供能传感等多功能集成系统成为可能，但是现有的研究仍处于原型阶段，距离商业化、市场化还有很长的距离。

 图1 镓基室温液态金属的性质及应用

图2  镓基室温液态金属作为主反应电极在电池中的应用

图3  镓基室温液态金属作为辅反应电极在电池中的应用

图4 镓基室温液态金属作为连接电极在多场景中的应用

原文信息

Perspective on gallium-based room temperature liquid metal batteries

Zerong XING¹, Junheng FU¹, Sen CHEN², Jianye GAO³, Ruiqi ZHAO³, Jing LIU⁴ 

作者单位：

1. Technical Institute of Physics and Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; School of Future Technology, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

2. School of Medicine, Tsinghua University, Beijing 100084, China

3. Technical Institute of Physics and Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; School of Engineering Science, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

4. Technical Institute of Physics and Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; School of Future Technology, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; School of Medicine, Tsinghua University, Beijing 100084, China

Abstract：

Recent years have witnessed a rapid development of deformable devices and epidermal electronics that are in urgent request for flexible batteries. The intrinsically soft and ductile conductive electrode materials can offer pivotal hints in extending the lifespan of devices under frequent deformation. Featuring inherent liquidity, metallicity, and biocompatibility, Ga-based room-temperature liquid metals (GBRTLMs) are potential candidates to fulfill the requirement of soft batteries. Herein, to illustrate the glamour of liquid components, high-temperature liquid metal batteries (HTLMBs) are briefly summarized from the aspects of principle, application, advantages, and drawbacks. Then, Ga-based liquid metals as main working electrodes in primary and secondary batteries are reviewed in terms of battery configurations, working mechanisms, and functions. Next, Ga-based liquid metals as auxiliary working electrodes in lithium and nonlithium batteries are also discussed, which work as functional self-healing additives to alleviate the degradation and enhance the durability and capacity of the battery system. After that, Ga-based liquid metals as interconnecting electrodes in multi-scenarios including photovoltaics solar cells, generators, and supercapacitors (SCs) are interpreted, respectively. The summary and perspective of Ga-based liquid metals as diverse battery materials are also focused on. Finally, it was suggested that tremendous endeavors are yet to be made in exploring the innovative battery chemistry, inherent reaction mechanism, and multifunctional integration of Ga-based liquid metal battery systems in the coming future.

Keywords:

liquid metals, soft electrodes, flexible batteries, deformable energy supply devices, epidermal electronics

Cite this article

Zerong XING, Junheng FU, Sen CHEN, Jianye GAO, Ruiqi ZHAO, Jing LIU. Perspective on gallium-based room temperature liquid metal batteries. Front. Energy, https://doi.org/10.1007/s11708-022-0815-y

通讯作者简介

刘静，清华大学医学院生物医学工程系教授，中国科学院理化技术研究所双聘研究员。

刘静教授长期从事工程热物理与液态金属、生物医学工程等领域交叉科学问题研究并作出系列开创性贡献。发现液态金属诸多全新科学现象、基础效应和变革性应用途径，开辟了液态金属芯片冷却、印刷电子与3D打印、柔性机器人以及生物医疗等领域探索实践，提出并推动了中国液态金属谷与液态金属全新工业的创建和发展，成果在世界范围产生广泛影响，为诸多科学杂志如New Scientist, MIT Technology Review, IEEE Spectrum等大量专题评介；研发的众多液态金属应用系统、大型肿瘤微创治疗装备及无线移动医学仪器等得到广泛应用。出版17部跨学科前沿著作（其中之一印刷5次）及20余应邀著作章节；发表论文中有40余篇入选所在国际期刊封面或封底故事；已获授权发明专利300余项。

Frontiers in Energy （SCI，2020 IF 2.709）)于2007年创刊，是能源领域综合性英文学术期刊。主编是翁史烈院士、倪维斗院士、苏义脑院士和彭苏萍院士。执行主编是上海交通大学黄震院士。出版能源领域原创研究论文、综述、科学快报、专题论文等。特别关注可再生能源、未来能源、超常规能源、2030能源、微/纳米能源、能源与环境等全球能源的重大挑战问题。

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