余桂華教授Adv. Mater.：基于易熔合金的室溫全液態金屬電池

【引言】

堿金屬具有低的氧化還原電位和高容量，被認為是實現超高能量密度、最具前景的電極。然而，堿金屬存在體積變化大、枝晶生長、電解質分解這些問題。到目前為止，研究人員在納米結構的集流體、新型電解質和人工固體電解質界面的設計做出了大量努力來緩解這些問題。另外，采用液態金屬是另一種解決上述問題的方法。液態金屬電池的液態金屬負極、正極和電解質這種結構使電池的制備簡單和性價比高，且具有自修復的特點，可以根本上解決堿金屬枝晶的問題。盡管液態金屬電池具有高功率和長循環壽命，但它們需要在較高溫度下工作。同時，已報道的液態金屬電池采用熔融鹽或者固態電解質。堿金屬在熔鹽中的溶解導致電池自放電和庫倫效率低。固態電解質成本高，脆性高。因此，高溫液態金屬電池的廣泛應用受到了制約。

【成果簡介】

近日，得克薩斯大學奧斯汀分校余桂華教授（通訊作者）等人報道了首次實現的室溫液態金屬全電池。它的Ga–In液態金屬合金正極和Na–K液態金屬合金負極使它在室溫下具有穩定的循環性能。采用Ga–Sn合金正極能進一步降低電池的成本，同時電池的電化學性能相當。而且，用Ga–In–Sn三元合金代替Ga基二元合金可以進一步降低電池的工作溫度至?13 °C。液態金屬的自修復特征使它們不受電極粉化的影響。同時，液態金屬的密度比普通的電極材料更高，具有獲得高容量的潛力。上述成果以“Room‐Temperature All‐Liquid‐Metal Batteries Based on Fusible Alloys with Regulated Interfacial Chemistry and Wetting”為題發表于國際期刊Advanced Materials上。

【圖文導讀】

圖1.室溫液態金屬電池的結構設計和集流體上Ga–In合金正極的浸潤性

a)室溫液態金屬電池的示意圖

b)不銹鋼上Ga–In液態金屬合金的浸潤性

c)沉積Au的不銹鋼上Ga–In液態金屬合金的浸潤性

d)沉積Al的不銹鋼上Ga–In液態金屬合金的浸潤性

e) 不銹鋼上Ga–In液態金屬合金在電解液中的浸潤性

f) 沉積Au的不銹鋼上Ga–In液態金屬合金在電解液中的浸潤性

g) 沉積Al的不銹鋼上Ga–In液態金屬合金在電解液中的浸潤性

圖2.集流體的SEM圖和靜電勢圖的相應DFT建模

a–c)純不銹鋼集流體（a）、沉積Au的不銹鋼（b）、沉積Al的不銹鋼（c）的SEM圖

d–f)純不銹鋼集流體（d）、沉積Au的不銹鋼（e）、沉積Al的不銹鋼（f）的靜電勢圖

圖3.液態金屬-電極液界面層的飛行時間二次離子質譜(TOF-SIMS)分析

a)Na–K/電解液界面上不同二次離子的標準化深度曲線

b-c)Na–K/電解液界面上代表性的二次離子的可視化三維化學分析

圖4.室溫液態金屬電池的性能

a)Ga–In||Na–K液態金屬電池的循環伏安曲線

b)倍率為1C的Ga–In||Na–K液態金屬電池的恒流充放電電壓曲線

c)Ga–In||Na–K液態金屬電池的倍率性能

d)倍率為1C的Ga–In||Na–K液態金屬電池的循環穩定性

e)倍率為1C的Ga–Sn||Na–K液態金屬電池的恒流充放電電壓曲線

f)倍率為1C的Ga–Sn||Na–K液態金屬電池的循環穩定性

圖5.不同液態金屬電池的運行溫度的比較

【小結】

研究團隊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，制備了室溫液態金屬全電池。當這種電池用Ga–In–Sn三元合金作為正極時，它的運行溫度有望進一步降低到室溫以下。基于Ga–In合金的液態金屬電池的每個循環的容量保留率為 99.95%，穩態庫倫效率約為100%。室溫下基于Ga–Sn合金和Ga–In–Sn三元合金的液態金屬電池有相似的電化學性能。除了像高溫液態金屬電池一樣應用在大規模儲能之外，液態金屬具有高柔性和拉伸性，因此室溫液態金屬電池還可用于可穿戴的柔性電子器件中。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。

文獻鏈接：Room‐Temperature All‐Liquid‐Metal Batteries Based on Fusible Alloys with Regulated Interfacial Chemistry and Wetting（Adv. Mater. 2020, DOI: 10.1002/adma.202002577）

團隊介紹及工作匯總：

余桂華，美國得克薩斯州大學奧斯汀分校材料系和機械工程系終身教授。余桂華教授課題組的研究重點是新型功能化納米材料的合理設計和合成，對其化學和物理性質的表征和探索，以及推廣其在能源，環境和生命科學領域展現重要的技術應用。目前已在Science, Nature, Nature Reviews Materials, Nature Materials, Nature Nanotechnology, 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, 等國際著名刊物上發表論文180余篇，論文引用30,000次，H-index 87。現任 ACS Materials Letters副主編， 是近二十個國際著名化學和材料類科學期刊的顧問編委，如Chem, Cell Reports Physical Science (Cell Press), Chemical Society Reviews (RSC), ACS Central Science, Chemistry of Materials (ACS), Nano Research (Springer), Science China-Chemistry, Science China-Materials (Science China Press), Scientific Reports (Nature Publishing), Energy Storage Materials (Elsevier), Energy & Environmental Materials (Wiley)等。

課題組鏈接：https://yugroup.me.utexas.edu/

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