余桂华课题组:新一代高能量密度液态金属电池的设计原则与应用

余桂华课题组:新一代高能量密度液态金属电池的设计原则与应用

【研究背景】
锂离子电池作为较为稳定可靠的能源供给手段正促使着电子和电动力车行业的飞速发展,然而随着不断增长的能量密度需求,锂金属、以及更多碱金属电池进入了研究人员的视野。然而,金属负极虽然具有优越的高能量密度、高功率和高容量等特点,却有无法避免的枝晶生成、界面不稳定性等特点,严重威胁着电池的安全与效率使得其无法被大规模商业化。低温液态金属从本质上避免了枝晶问题,并且具有许多超出固态负极的优越性,从而使得高能量金属负极成为可能。本文基于现阶段刚刚起步的低温液态金属勇于储能领域的研究,就设计原则与应用进行了总结,以为未来的研究提供参考。

【工作介绍】
金属和合金电极在循环的过程中因为不均匀的电沉积与晶格生长的本征特性,并会带来短路和内部放热等可能性。以碱金属合金与镓基合金为代表的低温液态合金(fusible alloys)相对于传统的金属和合金而言具有较低的熔点,并且因其液态的特性,在保持与锂金属相近的反应电位同时却不会产生枝晶。作为新兴的电极材料,液态金属的研究尚处于摸索阶段。美国德克萨斯大学奥斯汀分校的余桂华课题组在该领域发表了多篇代表性的研究成果,并在本综述中从与低温液态合金相关的基础原理开始,提出了现阶段研究中基于力学、热力学、电化学、界面化学等不同角度对于低温液态金属材料性质的理解,并分类总结了由液态金属不同性质而得以实现的应用与电池设计,指出了液态金属电极较为有前景的发展方向。该文章发表在材料学顶级期刊Advanced Materials上,郭雪霖为本文第一作者。
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图1. 液态金属在能源领域应用的中的主要特点与优势。

【内容表述】
1 基于液态金属的理论基础
低熔点合金在电化学过程中的相转变与热力学过程中的相转变类似,基于成分与比例的改变,吉布斯自由能随之改变,从而使得合金的熔点与稳定在某一温度时的稳定相产生变化。由于粒子间距与晶格结构的不同,动力学上也会使得材料的反应活度产生变化。因而,在实际的电化学反应中,过电势也会根据合金所处的相态受到不同程度的影响。
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液态金属由于较强的金属间相互作用力,在许多表面上会显示出较大的表面张力,这使得选择一个合适的电极变成了使用液态金属电极的至关重要的一点。与常规液体不相同的是,液态金属由于其活泼的化学性质,会在表面形成化合物薄膜并且改变其浸润性。另外,在化学反应的诱导下,液态金属在某些多空和纤维基底中借由毛细现象会表现出大幅增强的浸润性。
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包括Na-K合金在内的碱金属合金具有两种或以上的碱金属离子可以作为载荷体在电池中传输电荷,其在室温下大幅度的液态区间以及相转变的可逆性使得该电池体系之中可以有多种载荷体可以在不同的电池设计中被选择来做氧化还原对。其中在金属离子的选择上,界面化学起到了至关重要的作用。而非碱金属的液态合金由于本征较为居中的还原电位,并不适合直接作为载荷体,却由于较大的锂离子容量可以作为合金负极。在锂离子嵌入与脱出的过程中,这种合金会在液态与固态之间循环,从而实现自修复形貌的电极材料特性。

2 基于液态金属的属性衍生的研究
随着技术的进步,小到柔性电子、可穿戴电子,大到电车、城市供电,都需要比现有的电池更加灵活多变的储能形式。而液态金属的变形性与流动性却使得柔性电池、全液态电池等成为可能。除此之外,也因为液态金属的可变形性与表面性质,使其在纳米技术中的应用前景广泛。基于液态金属的涂层,不但在纳米材料的制备中有所成效,近日也被采用为涂层与填充材料添加到纳米电极之中,以保证电荷传输的连续性。另外,由于液态金属的表面性质,液态金属也作为电极或电解质表面的涂层用来解决接触问题。而基于液态金属独特的界面化学性质,液态金属与电介质形成的分解产物则可以作为有选择性的离子通道来决定载荷体的种类。但界面层并不是唯一的决定因素,电池中的其他部分也起到了至关重要的作用,还有待更深入的研究。值得一提的是,作为另一个极具前景的高能量密度电池的组成部件,固态电解质因为无法像液态电介质一样浸润电极表面,而一直面临着严重的界面接触与枝晶问题无法商业化。液态金属则刚好可以避免和解决这两个问题,使得二者的商业化成为可能。

3 核心结论与未来的发展方向
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图2. 液态金属于储能领域的应用前景。

低温液态金属作为新兴起的储能材料有着优秀的性能和良好的应用前景,然而尚有许多问题尚未解决,例如基于碱金属的液态金属较为活泼的化学性质使得困扰绝大多数电池的可燃性问题依然无法彻底解决。在今后的研究中,研究者们需要扬长避短,最大化液态金属的优势,探索其在固态电池、大规模储能、生物与智能柔性材料、以及作为界面添加剂在更多高容量高效率的电极材料中的应用。

X. Guo, Y. Ding, G. Yu, Design Principles and Applications of Next-Generation High-Energy-Density Batteries Based on Liquid Metals, Adv. Mater. 33, 2100052 (2021). https://doi.org/10.1002/adma.202100052

作者简介:
余桂华,美国德克萨斯大学奥斯汀分校材料科学与工程系,机械系终身教授,英国皇家化学学会会士(FRSC)和皇家物理学会会士(FInstP)。

余桂华教授课题组的研究重点是新型功能化纳米材料的合理设计和合成,尤其是对能源和环境凝胶材料的开创性研究,对其化学和物理性质的表征和探索,以及推广其在能源,环境和生命科学领域展现重要的技术应用。目前已在Science, Nature, Nature Reviews Materials, Nature Materials, Nature Nanotechnology, Nature Catalysis, Nature Sustainability, Nature Communications, Science Advances, PNAS, Chemical Reviews, Chemical Society Reviews, Accounts of Chemical Research, JACS, Angewandte Chemie, Advanced Materials, Energy & Environmental Sciences, Chem, Joule, Nano Letters, ACS Nano, Nano Today, Mater. Today 等国际著名刊物上发表论文200余篇,论文引用~41,000次,H-index~106。

现任 ACS Materials Letters 副主编,是近二十个国际著名化学和材料类科学期刊的顾问编委,如Chemical Society Reviews (RSC), ACS Central Science, Chemistry of Materials (ACS), Chem, Cell Reports Physical Science (Cell Press), Nano Research (Springer), Science China-Chemistry, Science China-Materials, Nature Scientific Reports, Energy Storage Materials (Elsevier), Energy & Environmental Materials (Wiley-VCH)等。

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参考文献: