中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：說(shuō)的液態(tài)金屬，恐怕大家最熟悉的還是《終結(jié)者2》中的液態(tài)金屬機(jī)器人T-1000，T-1000具有液態(tài)金屬材質(zhì)，能夠根據(jù)控制指令隨意變換形態(tài)，這給我們留下了深刻的印象，在現(xiàn)實(shí)中液態(tài)金屬可沒(méi)有電影中的那么智能和炫酷，它更多的是作為一種功能性材料出現(xiàn)。今天要給大家介紹的是一款具有液態(tài)金屬電極的新型儲(chǔ)能電池。液態(tài)金屬電池是從可充電液態(tài)熔鹽電池發(fā)展而來(lái)，隨著太陽(yáng)能發(fā)電和風(fēng)能發(fā)電的大規(guī)模建設(shè)，對(duì)分布式儲(chǔ)能電站的需求越來(lái)越大。自1960年代開(kāi)始，由于低成本和長(zhǎng)壽命，可充電液態(tài)熔鹽電池的研究就得到了重視。發(fā)展到現(xiàn)在，Na-S液態(tài)金屬電池(NAS)已經(jīng)商業(yè)化應(yīng)用，在全世界范圍內(nèi)有超過(guò)200項(xiàng)的工程應(yīng)用，但是由于該電池需要使用Na離子選擇性薄膜β-Al2O3，β-Al2O3是一種脆性材料，極容易產(chǎn)生裂紋，會(huì)導(dǎo)致電極材料之間發(fā)生嚴(yán)重的副反應(yīng)，導(dǎo)致電池起火。2011年，安裝在日本三菱材料公司筑波工廠的NAS電池就因?yàn)楦裟ち芽p發(fā)生了嚴(yán)重的起火事件。
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為了改善NAS電池的安全性，后來(lái)人們由開(kāi)發(fā)出了ZEBRA電池，但是由于仍然需要使用β-Al2O3作為隔膜，限制了電池的電流密度的提高。直到2009年Sadoway教授的研究團(tuán)隊(duì)才開(kāi)發(fā)出了一款新型的液態(tài)金屬熔鹽電池，該電池基于正負(fù)極和電解液不同的密度自然分成三層，從而不需要使用隔膜，提高了電池的安全性和電池大電流放電能力。但是該電池的工作電壓過(guò)低，早期產(chǎn)品工作電壓不足1V，改進(jìn)型的產(chǎn)品也僅0.8V左右，無(wú)法商業(yè)化應(yīng)用。
近日，挪威科技大學(xué)的Junli Xu對(duì)這種新型的液態(tài)金屬電池進(jìn)行了改進(jìn)，采用液態(tài)的Na作為負(fù)極，漂浮在電池的上層，液態(tài)Zn作為正極，沉于電池的底部，以NaCl-CaCl2-ZnCl2熔鹽作為電解液，處在正負(fù)極中間。由于不需要采用隔膜，該電池電阻更低，電壓衰降更少，電流密度更大。該電池的放電平臺(tái)范圍為1.4-1.8V，更為重要的是該電池可以在高電流密度下進(jìn)行放電，在100mAh/cm2的電流密度下，該電池的放電電壓仍然高于1.1V，在200mAh/cm2的電流密度下，電壓高于0.8V。
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該電池包含一個(gè)石墨坩堝，一個(gè)氧化鋁絕緣桶，孔隙率為300ppi氧化鎂穩(wěn)定氧化鋯薄片，Mo金屬電流導(dǎo)線(xiàn)，電解液采用NaCl: CaCl2 (50:50 mol %)，熔點(diǎn)為500℃，電池的工作溫度為560℃。首先，將鋅放置于電池的底部，并加入相應(yīng)數(shù)量的干燥NaCl: CaCl2鹽，然后該電池被移入到管式爐中，加熱到560℃，正極通過(guò)石墨引出，Mo線(xiàn)作為負(fù)極，將Mo線(xiàn)插入到熔鹽中2cm。在充電的過(guò)程中，熔鹽中的Na+還原成為Na金屬負(fù)極，而Zn被氧化成為Zn2+，進(jìn)入到熔鹽中，放電過(guò)程則剛好相反。
該電池的成本約為4.3$/KWh，是一種低成本的儲(chǔ)能電池，非常適合在風(fēng)力發(fā)電廠和太陽(yáng)能發(fā)電廠進(jìn)行大規(guī)模的儲(chǔ)能應(yīng)用。該電池目前存在的較大的問(wèn)題是工作過(guò)程需要高溫，需要良好的保溫措施。并且自放電較大，需要通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化降低電池的自放電。小編認(rèn)為該電池可以用作長(zhǎng)期儲(chǔ)存的備用電池，電池充滿(mǎn)電后將電池降溫，正負(fù)極和電解液均會(huì)凝固，從而避免了所有的副反應(yīng)，可以長(zhǎng)期穩(wěn)定存儲(chǔ)，在需要的時(shí)候加熱就可以進(jìn)行放電。
參考文獻(xiàn)
Na-Zn liquid metal battery, Journal of Power Source, 332(2016), Junli Xu, et. al
原標(biāo)題:鋰離子電池新危機(jī)，液態(tài)金屬可充電電池研究取得新突破
