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    UT Austin余桂華課題組新進展:室溫全液態金屬電池
    2020-06-22  來源:高分子科技

     

      人類社會的可持續發展依賴于對新能源的有效利用。相比于傳統的化石能源,太陽能、潮汐能、風能等環境友好的可再生能源受到了越來越多的關注,然而其隨機性、間歇性等特點又需要發展高效快捷的儲能技術以滿足人類的能源需求。液態金屬是一種在常溫常壓下呈液態、可流動且具有高導電、導熱特性的高科技戰略新興材料,基于液態金屬的儲能裝置具有極佳的循環穩定性和功率密度,相比傳統的液流電池在能量密度方面也有優勢,被視為大規模儲能的理想技術。然后,傳統的液態金屬電池依賴于高熔點的金屬材料,一方面,需要較高的工作溫度從而保持熔融態的金屬;另一方面,基于Pb的液態金屬電池的廣泛利用還受限于重金屬活性物質在人體健康、環境污染方面的問題。因此,開發新型低溫、環保、高效的液態金屬電池技術為克服傳統的高溫液態金屬電池的缺陷提供了新的思路。

     

       通過系統研究易熔合金并對其潤濕行為和界面化學進行全面調控,德州大學奧斯汀分校的余桂華課題組開發了首款室溫液態金屬全電池。該液態金屬全電池以室溫液態堿金屬合金為負極 (NaK合金),以室溫高電位液態金屬合金為正極 (GaIn合金),以含氟有機電解液為電解質,以物理氣相沉積金納米層的不銹鋼作為集流體。其液態金屬負極、電解質、液態金屬正極由于密度差異,在重力作用下依次分為三層。該電池不僅具備制備流程簡單、維護成本低、循環壽命長等優點,而且其較高的功率密度和能量密度滿足了能量型和功率型雙重應用特點,具有很大的潛力。使用GaInSn三元合金(熔點:零下19攝氏度)做正極,該電池工作溫度可以進一步降至0°C以下,電池成本也可以進一步降低通過使用GaSn二元合金。

      由于在物理氣相沉積金納米層的集流體上固液吸附力增強,因此液態金屬具有極佳的浸潤性,進而促進了電荷的傳輸。進一步的界面化學研究表明,液態NaK合金與含氟電解液之間會形成穩定的化學界面,作者通過使用飛行時間二次離子質譜(TOF-SIMS)實驗手段結合分子動力學模擬方法,首次對該界面層的形成與物理化學性質進行了深入研究,揭示了其特殊的多層結構,并證實了該雙層結構在調節載流子的可逆的沉積、溶解過程起著至關重要的作用。

     

      除了降低電池維護成本之外,該室溫液態金屬全電池還避免使用昂貴易碎的固體電解質,也解決了傳統高溫液態金屬電池由于使用熔融鹽基電解質而造成的自放電的問題。在概念驗證的電池測試中,該液態金屬全電池展現了優異的循環性,穩定的庫侖效率,在穿刺實驗中也展現了極佳的安全性能。除了應用在大規模儲能之外,液態金屬具有優異的柔韌性和可拉伸性,因此該液態金屬全電池也可以用于柔性可穿戴的電子設備上。盡管目前鎵基合金的市場價格相對較高,該文章還詳細分析了金屬鎵在地殼中的分布,鑒于其較高的含量(與銅、鎳相當),冶金科學的發展有助于降低鎵的成本,同時作者還列舉了一系列易熔合金,有望應用在較低工作溫度的液態金屬電池中。盡管傳統液態金屬電池優越的性能為大規模使用提供了可能性,但是超高的溫度240~700攝氏度)給包括集流體在內的金屬結構材料的選擇與設計帶來巨大挑戰。這項工作展示了如何通過界面科學的研究來設計、優化液態金屬電池,降低其工作溫度,提高電池性能,同時對于液態金屬電池安全高效使用意義重大,有利于其更廣泛的商業化應用。

      這一成果近期發表在Advanced Materials上,文章的通訊作者是美國UT Austin材料系和機械工程系的余桂華教授。

      論文信息:

      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

      課題組鏈接:https://yugroup.me.utexas.edu/

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    (責任編輯:xu)
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