中科大谈鹏教授团队AEM：室温液态金属基新型超快充液流电池
文摘
2024-12-26 13:40
江苏
随着全球碳中和目标的推进，电动汽车（EV）成为实现清洁能源转型的关键。然而，现有锂离子电池（LIB）因能量密度、充电速度及安全性等问题限制了电动汽车的广泛应用。与锂离子电池相比，锌基液流电池因其较高的能量密度和快速的锌动力学特性而表现出极大的潜力，而受制于锌电极枝晶形成和形貌变化，电池性能受到严重影响。此外，固态锌所固有的能量和功率强耦合特性也进一步限制了该电池体系的实际应用。谈鹏教授团队设计了一种由镓、铟以及锌组成的液态合金电极（Ga80In10Zn10, wt.%）作为可流动态负极，结合碱性电解质和空气正极，实现了超高能量密度与快速充电性能。理论容量密度高达1004.4 Ah kg-1，且在10 mA cm-2的电流密度下表现出平均容量密度635.1 Ah kg-1的长时间稳定放电（123小时）。相关成果以题为“High-Performance Liquid Metal Flow Battery for Ultrafast Charging and Safety Enhancement”的论文发表在能源材料顶级期刊Advanced Energy Materials上。谈鹏教授为该论文的通讯作者，何义博士为第一作者，深空探测全国重点实验室尚文旭博士为共同通讯作者。图1. 一种高能量密度的室温液态金属基液流电池，支持快速机械充电以及传统电化学充电。Ga及其合金在空气和水环境中具有很高的化学稳定性。在这项研究中，采用分散在液态合金溶剂Ga-In中的Zn粉末作为阴极，质量百分比表示为Ga80In10Zn10。然而，纯Ga的实际应用受到反应动力学缓慢和寄生氢气析出反应（HER）的限制，导致气泡的产生和脱离，从而阻碍反应位点，造成放电电位低且不稳定。为解决这些问题，本研究通过在Ga阴极中加入In和Zn来改善其性能。In金属在降低合金熔点方面起到了关键作用，确保其在工作温度下保持液态。此外，In金属已知能抑制HER，减少气泡的形成，从而避免气泡堵塞对电极（此处为空气电极）并引起电压不稳定。归因于Ga、In和Zn之间的协同作用，Ga80In10Zn10合金的功率和电流密度限制是纯Ga的两倍，分别达到了62.6 mW cm−2和225 mA cm−2。图2. Ga80In10Zn10空气静态电池与Ga空气电池的对比。a) Ga80In10Zn10混合物的显微图像，展示了均匀的液态状态，Zn粉末分散在其中，如底部示意图和光学图像所示。b) 纯Ga和Ga80In10Zn10-空气静态电池在10 mA cm−2电流密度下的放电曲线，分别对应的容量密度为13.6 mAh cm−2和46.8 mAh cm−2。插图显示了在放电80分钟时电极表面的情况。图3. Ga空气电池和Ga80In10Zn10空气电池的电化学性能。a) 从纯Ga到Ga80In10Zn10液态金属阴极的改进示意图。b) 通过电化学阻抗谱（EIS）测量得到的Ga和Ga80In10Zn10空气电池的奈奎斯特图。c) 放电极化曲线。d) 功率密度曲线。e) 在不同电流密度下的速率性能测试。通过电解液流动消除了绝大部分生成的气泡，保持电极/电解液反应界面的稳定性，确保电极上的活性位点不被阻塞，促进电池长时间的稳定运行。稳定的放电过程可以通过类似汽油加油的快速机械充电机制反复进行，使得电池在5分钟内即可充满电。这种超快充电能力归因于电极材料的卓越流动性（粘度≈水的2倍），使得材料能够轻松转移并平稳流入反应罐。图4. Ga80In10Zn10空气液流电池的完全放电与快速充电。a) 有限元（FEM）仿真云图，展示流动电解液在Ga80In10Zn10表面和电解液中输送氢气泡的过程。b) 在电流密度为10 mA cm-2下，Ga80In10Zn10-空气液流电池的放电曲线。c) 室温液态金属电池中快速充电的示意图，采用加油方式进行充电。d) 三个循环的Ga80In10Zn10-空气液流电池在快速加油充电模式下的电压曲线，显示几乎没有衰减。图5. Ga、Zn和 Ga80In10Zn10电极在充电过程中的氢气析出行为。a) 氢气析出对电极性能影响的示意图。b) 纯Ga和Ga80In10Zn10空气电池的充电极化曲线。c) Zn和Ga80In10Zn10电极的充电极化曲线。d) 纯Ga电极在充电极化测量过程中的表面图像。e) Ga80In10Zn10电极在充电极化测量过程中的表面图像，展示了电化学氢气析出反应（HER）行为。室温液态金属电极（Ga80In10Zn10）通过强表面张力抑制枝晶生长，避免了传统纯Zn固体电极在长期循环中因枝晶生长导致的短路风险。基于活性材料的液态特性，还实现能量与功率的解耦，从而提高了电池的稳定性和性能。此外，通过引入碘离子氧化反应（IOR）和氧化还原媒介（RM），有效优化了充电过程中的氧气析出反应（OER），大幅降低了充电电压并提高了电池的能量效率和稳定性，相比与Pt/C和Ir/C性能提升了22%。图6. Zn和Ga80In10Zn10电极在充电过程中沉积行为。a) 示意图展示液态金属在抑制枝晶生长方面的作用。b) 在10 mA cm-2电流密度下，Zn电极沉积过程的显微观察（1小时）。c) Ga80In10Zn10电极在充电前和在10 mA cm-2电流密度下充电1小时后的图像。有限元法（FEM）模拟结果：d) Zn电极沉积过程（50秒）；e) 液态金属电极沉积过程（50秒）。图7. 碘化物氧化反应促进正极空气电极高效充电。a) KI促进的Ga80In10Zn10空气电池示意图。b) 碘化物氧化反应（IOR）优化的Ga80In10Zn10空气电池机制示意图。c) 通过IOR优化反应路径后，Ga80In10Zn10空气电池电势变化。d) IOR促进的Ga80In10Zn10空气电池与传统氧气析出反应（OER）电池的充电极化曲线。e) 在10 mA cm-2电流密度下，IOR促进的Ga80In10Zn10空气电池、IOR促进的Ga空气电池和锌空气电池的电压曲线。本工作提出了一种室温液态金属基新型液流电池，采用镓合金（Ga80In10Zn10，wt%）和碱性电解液以及空气电极，可提供类似于汽油加油的超快速充电（<5分钟），并在长期放电（123小时）过程中表现出约317 mAh的容量，充放电电流密度为10 mA cm-2，平均电压为1.1 V，实际比容量为635.1 mAh g-1，接近理论值1004.4 mAh g-1。原位观察和有限元模拟显示，得益于加入10%In和10%Zn，析氢和锌枝晶得到显著抑制。KI改性Ga80In10Zn10空气电池在800个循环中，充电电压降至1.77 V，能量效率为57%，超过了传统Pt/C和Ir/C基电池系统，提升了22%。这项工作克服了传统电池的局限性，为电动汽车提供了先进且低成本的能源存储解决方案。Yi He, Yifan Cui, Jianwen Yu, Wenxu Shang,* and Peng Tan*. Advancing Flow Batteries: High Energy Density and Ultra-Fast Charging via Room-Temperature Liquid Metal, Adv. Energy. Mater. 2024, https://doi.org/10.1002/aenm.202405066.何义 博士后研究员，于中国科学技术大学热科学和能源工程系谈鹏教授课题组获得博士学位。长期致力于电化学体系中相变和传质耦合问题研究。在Advanced Energy Materials、Energy Storage Materials、Chemical Engineering Journal, Journal of Materials Chemistry A等国际高水平SCI期刊发表论文40余篇，其中第一作者及通讯作者14篇，已授权2项中国发明专利。谈鹏 中国科学技术大学热科学和能源工程系执行主任，教授、博导，入选中国科学院、安徽省和国家人才计划青年项目。主要从事电化学能源系统中多场耦合能质传递与转化问题研究，包括物种输运特性、能质传递及转化理论模型和调控机制。近年来，主持国家重点研发计划“储能与智能电网技术”重点专项青年科学家项目、国家重点研发计划项目课题、国家自然科学基金青年/面上项目、安徽省自然科学基金和企业技术开发项目多项。已在PNAS(2)、Nature Communications、Science Bulletin(2)、Advanced Energy Materials(3)、Advanced Functional Materials(4)等国际知名学术期刊上发表SCI论文180余篇，总引用7300余次，H指数48，入选斯坦福大学“前2%科学影响力榜单”（2019-2023）及“终身科学影响力榜单”（2022-2023）；申请中国发明专利30项，14项已授权。担任国际学术期刊e-Prime副主编、Energy Reviews、Future Batteries编委、Advanced Powder Materials特聘编委、Research青年编委等。尚文旭 深空探测全国重点实验室未来技术研究院助理研究员，于中国科学技术大学热科学和能源工程系谈鹏教授课题组获得博士学位。长期致力于锌基电池以及深空极端环境空间电源研究，在Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Energy Storage Materials、Small、Journal of Materials Chemistry A、Cell reports physical science等国际高水平SCI期刊发表论文40余篇，其中第一/通讯作者17篇，申请中国发明专利7项，其中已授权6项。https://doi.org/10.1002/aenm.202405066
