室温全液态金属电池界面化学研究

来源：X一MOL资讯

液态金属电池具有循环寿命长、功率密度大等特点，有望应用在大规模储能器件当中。传统液态金属电池电极熔点较高，为了保持金属电极在熔融状态，一般需要较高的操作温度（大于240 °C），不仅给液态金属电池的装配、操作带来了一定危险性，也提高了电池的运行成本，阻碍了液态金属电池大规模的应用。
基于对易熔合金界面化学的研究，德州大学奥斯汀分校（UT Austin）的余桂华教授课题组首次实现了室温下工作的液态金属全电池，该电池采用钠钾合金做负极（熔点：零下13摄氏度），镓基的易熔合金做正极，包括二元的镓铟合金（熔点：15摄氏度）、镓锡合金（熔点：21摄氏度）和三元的镓铟锡合金（熔点：零下19摄氏度）。与基于铅和汞的液态金属电极相比，镓基合金无毒无害，且蒸气压低，对环境友好，有利于大规模商业化应用。通过优化液态金属与集流体之间的界面化学，液态金属的浸润性被大大提高，有利于电荷的传输。同时通过对电解液的改进稳定液态金属与电解液之间的界面，概念验证的液态金属全电池测试显示了稳定的循环性能和可忽略的自放电。不同于传统固体-电解液界面层，液态金属和液态电解质之间可以形成一种特殊的的液体-电解液界面层，该工作首次实现了对该界面层的直接可视化三维化学分析，并揭示了其在调节电荷载流子和稳定氧化还原化学中的重要作用。凭借方便的电池组装、简化的电池结构、高安全性和低维护成本，室温液态金属电池不仅显示出大规模应用前景，而且为开发不同于传统固态电池、高温电池的储能设备提供了新的思路与途径。

碱金属和基于合金反应的电极材料具有高的比容量，然而碱金属电池的寿命受到碱金属枝晶生长的困扰，合金反应材料在充放电过程中巨大的体积膨胀会造成电极粉化。而液态属作为电极材料有望解决碱金属本征的枝晶问题和合金材料的电极粉化问题。液态金属电池的稳定运行需要快速的电荷传输，金属一般具有非常大的表面张力，因此在集流体表面的浸润性很差，影响了电池的性能。作者通过物理气相沉积对集流体改进，系统研究了不同的界面层对液态金属的作用，发现当沉积50 nm厚度的金可以实现极小的接触角，并通过DFT模拟计算了液态金属在不同界面的静电势图解释了纳米级的金涂层对液态金属的吸附作用，从而促进了液态金属电池电荷的传输。

因为较低的工作电压，电极材料与电解质溶液在界面上会发生反应，形成一层覆盖于电极材料表面的固体―电解液界面，电池在充放电过程中，由于载流子和电极表面势的作用，溶剂分子会在电极与电解液界面上迅速自组装形成电双层，这一电双层的结构决定了电池的相界面化学性质。考虑到液态金属的流动性，其表面的界面层对稳定液态金属的氧化还原反应起到关键的作用。该工作通过使用飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）实验手段结合分子动力学模拟方法首次对该界面层的形成与物理化学性质进行了深入研究，证实了其特殊的多层结构。由于氟离子在相界面上起着非常重要的作用，该工作通过引入含氟的溶作为添加剂不仅可以稳定具有流动性的液态金属，同时抑制了自放电反应的发生。与含氟电解液接触之后，首先在液态金属表面会形成一层很薄的、稠密的、无机界面内层，这个稠密层的主要功能是传导载流子而绝缘电子。内层形成之后，会进一步形成富含有机分子、可以渗透到电解液当中的外层。本文首次实现了对该界面层的直接可视化三维化学分析，同时概念性验证电池测试也证明了该界面层的稳定性，揭示了其在调节电荷载流子和稳定氧化还原化学中的重要作用。

作者团队设计了基于钠钾合金和镓基液态金属的室温液态金属全电池，并用化学表征和DFT计算解释了其工作机理。液态金属电极的电荷传输通过电极、集流体界面改善进行优化，同时液态金属的电化学稳定性可以通过含氟的电解液对液态金属-电解液界面层的稳定作用而提高。本文为设计高安全性、高能量密度、无枝晶碱离子电池提供了新的思路，有望用在大规模储能和柔性电子上。
这一成果近期发表在Advanced Materials 上，文章的通讯作者是美国UT Austin余桂华教授。