近日，上海交通大學(xué)王如竹教授和李廷賢研究員領(lǐng)銜的“能源-空氣-水”交叉學(xué)科創(chuàng)新團隊ITEWA（Innovative Team for Energy, Water & Air）在國際能源材料領(lǐng)域期刊Energy Storage Materials上發(fā)表了題目為“Progress and perspectives of liquid metal batteries”的綜述論文。論文聚焦液態(tài)金屬電池，從電化學(xué)機理、多物理場建模兩個方面對液態(tài)金屬電池當(dāng)前的研究現(xiàn)狀進行了系統(tǒng)性介紹，并指出了面臨的挑戰(zhàn)和機遇，展望了高性能液態(tài)金屬電池今后的發(fā)展。論文第一作者是機械與動力工程學(xué)院助理教授仵斯，通訊作者是王如竹教授和李廷賢研究員。
在不同溫區(qū)運行的液態(tài)金屬電池研究進展和挑戰(zhàn)示意圖
在眾多類型的儲能技術(shù)中，電化學(xué)儲能具有能量密度高、響應(yīng)快、建設(shè)周期短、安裝靈活等優(yōu)勢。對于固定式、規(guī)模化的儲能應(yīng)用，評價電池性能的關(guān)鍵指標(biāo)有經(jīng)濟性、安全性、能量密度、功率密度、能量效率等。針對這些指標(biāo)，國內(nèi)外學(xué)者重點關(guān)注采用儲量豐富的材料作為電池活性材料，發(fā)展本征安全電池體系，探索新的電池化學(xué)（正負極材料和電解質(zhì)）等，以替代目前占主導(dǎo)地位但面臨成本高、資源不足、安全事故頻發(fā)等突出問題的鋰離子電池。由于可充電液態(tài)金屬電池具有長壽命、低成本、大容量及高安全性等優(yōu)勢，而廣義上的液態(tài)金屬電池為至少包含一種液態(tài)金屬電極的電化學(xué)儲能器件，金屬電極的液態(tài)化使這類電池擺脫了傳統(tǒng)固態(tài)電極材料因結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差、易產(chǎn)生枝晶而導(dǎo)致的循環(huán)壽命短、熱失控等問題，并且液態(tài)電極獨特的傳質(zhì)與反應(yīng)動力學(xué)特性使這類電池具有大容量、高功率等優(yōu)點。現(xiàn)階段，部分高溫液態(tài)金屬電池已初步實現(xiàn)商業(yè)化，而新興的中低溫/室溫液態(tài)金屬電池尚處于研究初始階段，仍面臨著循環(huán)穩(wěn)定性、經(jīng)濟性等多方面挑戰(zhàn)。
文章聚焦液態(tài)金屬電池關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)問題，按工作溫區(qū)將液態(tài)金屬電池分為高溫（>350oC）、中溫（100~350oC）與室溫（~25oC）液態(tài)金屬電池,從電池化學(xué)的角度梳理了現(xiàn)有液態(tài)金屬電池的電極與電解質(zhì)組成及其電化學(xué)性能；系統(tǒng)總結(jié)了液態(tài)金屬電池內(nèi)發(fā)生的相變、流動、傳質(zhì)、傳熱、電化學(xué)反應(yīng)等多物理過程作用規(guī)律及其對溫度的依賴性；分析并展望了液態(tài)金屬電池面臨的挑戰(zhàn)和未來研究方向，包括低溫化策略、新電池化學(xué)體系、界面工程、密封和腐蝕、多物理場耦合作用等。文章重點指出了提高液態(tài)金屬電池綜合性能的四個策略，即篩選更好的電極和電解質(zhì)、完善電極和電解質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計、進行宏觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化以及實現(xiàn)邊界條件的合理設(shè)置，為實現(xiàn)液態(tài)金屬電池大容量和規(guī)模化應(yīng)用于電網(wǎng)級儲能提供了重要參考。
王如竹教授領(lǐng)銜的ITEWA團隊近年來在Nature Energy、Nature Communications、Chemical Society Reviews、Joule、Energy & Environmental Science、Advanced Materials、ACS Energy Letters等國際期刊上發(fā)表系列跨學(xué)科交叉論文，該團隊致力于解決能源、水、空氣交叉領(lǐng)域的前沿基礎(chǔ)性科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)，旨在通過學(xué)科交叉實現(xiàn)材料-器件-系統(tǒng)層面的整體解決方案，推動相關(guān)領(lǐng)域取得突破性進展。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2023.02.021
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