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余桂华团队AM:基于液态金属的新一代高能量密度电池的设计原则与应用

以锂金属为代表的碱金属负极电池作为储能领域的热门体系,虽然拥有高能量密度,但其由支晶引发的安全问题却始终无法避免,从而使其商业化步履维艰。近期,低温或室温液态金属在储能领域的应用给高能量密度碱金属电池提供了可能性,不仅可以直接作为无支晶的碱金属负极,其独特的材料特性还带来了更多的拓展应用。美国德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授(点击查看介绍)团队近日在材料类顶级期刊Advanced Materials 上发表了基于液态金属的高能量密度电池的材料性能、设计机理与应用的综述。本文以理解液态金属的机械、电化学和热力学性能为基础,从原理上拓展出其在电池领域中的应用方向,总结并讨论了现有研究工作的创新点以及尚待继续探索的方向,并为该领域将来的更深入发展提供了评估与参考。

图1. 低熔点合金的主要材料性质与在储能领域的应用优势。


低熔点合金(fusible alloys)在储能领域上主要具有高能量、高功率密度,高元素丰度与性价比,以及无支晶等特点。基于合金的电化学特性使得碱金属族的液态合金可以实现碱金属氧化还原,镓基合金可以进行过渡金属嵌锂,而可逆的离子嵌入与脱出可通过固化与液化的转变实现自修复金属电极等应用。独特的电极-电介质界面化学使得液态金属的界面具有较为均匀的离子导通,较为稳定的界面层,以及离子的选择通过性。液态金属优越的机械性能主要体现在其流动性、相对于传统高温液态金属而言大大降低的熔点、以及在不同界面上可调控的浸润性。着眼于与液态金属相关的理论基础,作者讨论了低熔点合金的相转变在电化学过程中用以估算氧化还原反应程度的热力学机理,然后介绍了包含物理浸润与化学反应诱导浸润的属于液态金属的独特的浸润现象,并且讨论了其在电池反应中的界面化学。本着对机理的理解,作者将该领域的主要工作划分成基于液态金属流动性和其独特的界面性质两个大方向来介绍。得益于液态金属的流动性和变形性,柔性、液流、以及全液态金属电池得以实现,而纳米技术则是利用了这一特性实现了薄纳米涂层等设计。另一方面,独特的界面性质使得液态金属成为了良好的电极涂层、多离子系统中具有选择性的电极、以及固态电解质的理想搭配。

图2. 高能量密度液态金属电池未来可期的发展方向。


作为一个有着良好科研和应用前景的材料体系,液态金属在储能方面的相关研究应着重集中在这几个方面:作为固态电解质的匹配电极、作为大规模储能战略的备选材料、作为柔性或可印刷电子材料的电极或电路元件选择、以及作为大容量低成本电极材料的表面处理候选等。因此,更多的理论研究以及应用探究应在该领域为实现更为可靠的储能技术而做出更多贡献。


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Design Principles and Applications of Next-Generation High-Energy-Density Batteries Based on Liquid Metals

Xuelin Guo, Yu Ding, Guihua Yu

Adv. Mater., 2021, DOI: 10.1002/adma.202100052


导师介绍


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~105。


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), ChemCell 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。


https://www.x-mol.com/university/faculty/37838 


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