余桂华教授Adv. Mater.：基于易熔合金的室温全液态金属电池

【引言】

碱金属具有低的氧化还原电位和高容量，被认为是实现超高能量密度、最具前景的电极。然而，碱金属存在体积变化大、枝晶生长、电解质分解这些问题。到目前为止，研究人员在纳米结构的集流体、新型电解质和人工固体电解质界面的设计做出了大量努力来缓解这些问题。另外，采用液态金属是另一种解决上述问题的方法。液态金属电池的液态金属负极、正极和电解质这种结构使电池的制备简单和性价比高，且具有自修复的特点，可以根本上解决碱金属枝晶的问题。尽管液态金属电池具有高功率和长循环寿命，但它们需要在较高温度下工作。同时，已报道的液态金属电池采用熔融盐或者固态电解质。碱金属在熔盐中的溶解导致电池自放电和库伦效率低。固态电解质成本高，脆性高。因此，高温液态金属电池的广泛应用受到了制约。

【成果简介】

近日，得克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授（通讯作者）等人报道了首次实现的室温液态金属全电池。它的Ga–In液态金属合金正极和Na–K液态金属合金负极使它在室温下具有稳定的循环性能。采用Ga–Sn合金正极能进一步降低电池的成本，同时电池的电化学性能相当。而且，用Ga–In–Sn三元合金代替Ga基二元合金可以进一步降低电池的工作温度至−13 °C。液态金属的自修复特征使它们不受电极粉化的影响。同时，液态金属的密度比普通的电极材料更高，具有获得高容量的潜力。上述成果以“Room‐Temperature All‐Liquid‐Metal Batteries Based on Fusible Alloys with Regulated Interfacial Chemistry and Wetting”为题发表于国际期刊Advanced Materials上。

【图文导读】

图1.室温液态金属电池的结构设计和集流体上Ga–In合金正极的浸润性

a)室温液态金属电池的示意图

b)不锈钢上Ga–In液态金属合金的浸润性

c)沉积Au的不锈钢上Ga–In液态金属合金的浸润性

d)沉积Al的不锈钢上Ga–In液态金属合金的浸润性

e) 不锈钢上Ga–In液态金属合金在电解液中的浸润性

f) 沉积Au的不锈钢上Ga–In液态金属合金在电解液中的浸润性

g) 沉积Al的不锈钢上Ga–In液态金属合金在电解液中的浸润性

图2.集流体的SEM图和静电势图的相应DFT建模

a–c)纯不锈钢集流体（a）、沉积Au的不锈钢（b）、沉积Al的不锈钢（c）的SEM图

d–f)纯不锈钢集流体（d）、沉积Au的不锈钢（e）、沉积Al的不锈钢（f）的静电势图

图3.液态金属-电极液界面层的飞行时间二次离子质谱(TOF-SIMS)分析

a)Na–K/电解液界面上不同二次离子的标准化深度曲线

b-c)Na–K/电解液界面上代表性的二次离子的可视化三维化学分析

图4.室温液态金属电池的性能

a)Ga–In||Na–K液态金属电池的循环伏安曲线

b)倍率为1C的Ga–In||Na–K液态金属电池的恒流充放电电压曲线

c)Ga–In||Na–K液态金属电池的倍率性能

d)倍率为1C的Ga–In||Na–K液态金属电池的循环稳定性

e)倍率为1C的Ga–Sn||Na–K液态金属电池的恒流充放电电压曲线

f)倍率为1C的Ga–Sn||Na–K液态金属电池的循环稳定性

图5.不同液态金属电池的运行温度的比较

【小结】

研究团队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，制备了室温液态金属全电池。当这种电池用Ga–In–Sn三元合金作为正极时，它的运行温度有望进一步降低到室温以下。基于Ga–In合金的液态金属电池的每个循环的容量保留率为 99.95%，稳态库伦效率约为100%。室温下基于Ga–Sn合金和Ga–In–Sn三元合金的液态金属电池有相似的电化学性能。除了像高温液态金属电池一样应用在大规模储能之外，液态金属具有高柔性和拉伸性，因此室温液态金属电池还可用于可穿戴的柔性电子器件中。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。

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

团队介绍及工作汇总：

余桂华，美国得克萨斯州大学奥斯汀分校材料系和机械工程系终身教授。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，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 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180余篇，论文引用30,000次，H-index 87。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。

课题组链接：https://yugroup.me.utexas.edu/

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