液態金屬的高能量密度電池的材料性能、設計機理與應用

　　以鋰金屬為代表的堿金屬負極電池作為儲能領域的熱門體系，雖然擁有高能量密度，但其由支晶引發的安全問題卻始終無法避免，從而使其商業化步履維艱。近期，低溫或室溫液態金屬在儲能領域的應用給高能量密度堿金屬電池提供了可能性，不僅可以直接作為無支晶的堿金屬負極，其獨特的材料特性還帶來了更多的拓展應用。美國德克薩斯大學奧斯汀分校的余桂華教授團隊近日在材料類頂級期刊Advanced Materials 上發表了基于液態金屬的高能量密度電池的材料性能、設計機理與應用的綜述。本文以理解液態金屬的機械、電化學和熱力學性能為基礎，從原理上拓展出其在電池領域中的應用方向，總結并討論了現有研究工作的創新點以及尚待繼續探索的方向，并為該領域將來的更深入發展提供了評估與參考。

　　圖1. 低熔點合金的主要材料性質與在儲能領域的應用優勢。

　　低熔點合金（fusible alloys）在儲能領域上主要具有高能量、高功率密度，高元素豐度與性價比，以及無支晶等特點。基于合金的電化學特性使得堿金屬族的液態合金可以實現堿金屬氧化還原，鎵基合金可以進行過渡金屬嵌鋰，而可逆的離子嵌入與脫出可通過固化與液化的轉變實現自修復金屬電極等應用。獨特的電極-電介質界面化學使得液態金屬的界面具有較為均勻的離子導通，較為穩定的界面層，以及離子的選擇通過性。液態金屬優越的機械性能主要體現在其流動性、相對于傳統高溫液態金屬而言大大降低的熔點、以及在不同界面上可調控的浸潤性。著眼于與液態金屬相關的理論基礎，作者討論了低熔點合金的相轉變在電化學過程中用以估算氧化還原反應程度的熱力學機理，然后介紹了包含物理浸潤與化學反應誘導浸潤的屬于液態金屬的獨特的浸潤現象，并且討論了其在電池反應中的界面化學。本著對機理的理解，作者將該領域的主要工作劃分成基于液態金屬流動性和其獨特的界面性質兩個大方向來介紹。得益于液態金屬的流動性和變形性，柔性、液流、以及全液態金屬電池得以實現，而納米技術則是利用了這一特性實現了薄納米涂層等設計。另一方面，獨特的界面性質使得液態金屬成為了良好的電極涂層、多離子系統中具有選擇性的電極、以及固態電解質的理想搭配。

　　圖2. 高能量密度液態金屬電池未來可期的發展方向。

　　作為一個有著良好科研和應用前景的材料體系，液態金屬在儲能方面的相關研究應著重集中在這幾個方面：作為固態電解質的匹配電極、作為大規模儲能戰略的備選材料、作為柔性或可印刷電子材料的電極或電路元件選擇、以及作為大容量低成本電極材料的表面處理候選等。因此，更多的理論研究以及應用探究應在該領域為實現更為可靠的儲能技術而做出更多貢獻。