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  人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展依賴于對(duì)新能源的有效利用。相比于傳統(tǒng)的化石能源，太陽(yáng)能、潮汐能、風(fēng)能等環(huán)境友好的可再生能源受到了越來越多的關(guān)注，然而其隨機(jī)性、間歇性等特點(diǎn)又需要發(fā)展高效快捷的儲(chǔ)能技術(shù)以滿足人類的能源需求。液態(tài)金屬是一種在常溫常壓下呈液態(tài)、可流動(dòng)且具有高導(dǎo)電、導(dǎo)熱特性的高科技戰(zhàn)略新興材料，基于液態(tài)金屬的儲(chǔ)能裝置具有極佳的循環(huán)穩(wěn)定性和功率密度，相比傳統(tǒng)的液流電池在能量密度方面也有優(yōu)勢(shì)，被視為大規(guī)模儲(chǔ)能的理想技術(shù)。然后，傳統(tǒng)的液態(tài)金屬電池依賴于高熔點(diǎn)的金屬材料，一方面，需要較高的工作溫度從而保持熔融態(tài)的金屬；另一方面，基于Pb的液態(tài)金屬電池的廣泛利用還受限于重金屬活性物質(zhì)在人體健康、環(huán)境污染方面的問題。因此，開發(fā)新型低溫、環(huán)保、高效的液態(tài)金屬電池技術(shù)為克服傳統(tǒng)的高溫液態(tài)金屬電池的缺陷提供了新的思路。

   通過系統(tǒng)研究易熔合金并對(duì)其潤(rùn)濕行為和界面化學(xué)進(jìn)行全面調(diào)控，德州大學(xué)奧斯汀分校的余桂華課題組開發(fā)了首款室溫液態(tài)金屬全電池。該液態(tài)金屬全電池以室溫液態(tài)堿金屬合金為負(fù)極 （NaK合金），以室溫高電位液態(tài)金屬合金為正極 （GaIn合金），以含氟有機(jī)電解液為電解質(zhì)，以物理氣相沉積金納米層的不銹鋼作為集流體。其液態(tài)金屬負(fù)極、電解質(zhì)、液態(tài)金屬正極由于密度差異，在重力作用下依次分為三層。該電池不僅具備制備流程簡(jiǎn)單、維護(hù)成本低、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，而且其較高的功率密度和能量密度滿足了能量型和功率型雙重應(yīng)用特點(diǎn)，具有很大的潛力。使用GaInSn三元合金（熔點(diǎn)：零下19攝氏度）做正極，該電池工作溫度可以進(jìn)一步降至0°C以下，電池成本也可以進(jìn)一步降低通過使用GaSn二元合金。

  由于在物理氣相沉積金納米層的集流體上固液吸附力增強(qiáng)，因此液態(tài)金屬具有極佳的浸潤(rùn)性，進(jìn)而促進(jìn)了電荷的傳輸。進(jìn)一步的界面化學(xué)研究表明，液態(tài)NaK合金與含氟電解液之間會(huì)形成穩(wěn)定的化學(xué)界面，作者通過使用飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜（TOF-SIMS）實(shí)驗(yàn)手段結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，首次對(duì)該界面層的形成與物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了深入研究，揭示了其特殊的多層結(jié)構(gòu)，并證實(shí)了該雙層結(jié)構(gòu)在調(diào)節(jié)載流子的可逆的沉積、溶解過程起著至關(guān)重要的作用。

  除了降低電池維護(hù)成本之外，該室溫液態(tài)金屬全電池還避免使用昂貴易碎的固體電解質(zhì),也解決了傳統(tǒng)高溫液態(tài)金屬電池由于使用熔融鹽基電解質(zhì)而造成的自放電的問題。在概念驗(yàn)證的電池測(cè)試中，該液態(tài)金屬全電池展現(xiàn)了優(yōu)異的循環(huán)性，穩(wěn)定的庫(kù)侖效率，在穿刺實(shí)驗(yàn)中也展現(xiàn)了極佳的安全性能。除了應(yīng)用在大規(guī)模儲(chǔ)能之外，液態(tài)金屬具有優(yōu)異的柔韌性和可拉伸性，因此該液態(tài)金屬全電池也可以用于柔性可穿戴的電子設(shè)備上。盡管目前鎵基合金的市場(chǎng)價(jià)格相對(duì)較高，該文章還詳細(xì)分析了金屬鎵在地殼中的分布，鑒于其較高的含量（與銅、鎳相當(dāng)），冶金科學(xué)的發(fā)展有助于降低鎵的成本，同時(shí)作者還列舉了一系列易熔合金，有望應(yīng)用在較低工作溫度的液態(tài)金屬電池中。盡管傳統(tǒng)液態(tài)金屬電池優(yōu)越的性能為大規(guī)模使用提供了可能性，但是超高的溫度（240~700攝氏度）給包括集流體在內(nèi)的金屬結(jié)構(gòu)材料的選擇與設(shè)計(jì)帶來巨大挑戰(zhàn)。這項(xiàng)工作展示了如何通過界面科學(xué)的研究來設(shè)計(jì)、優(yōu)化液態(tài)金屬電池，降低其工作溫度，提高電池性能，同時(shí)對(duì)于液態(tài)金屬電池安全高效使用意義重大，有利于其更廣泛的商業(yè)化應(yīng)用。

  這一成果近期發(fā)表在Advanced Materials上，文章的通訊作者是美國(guó)UT Austin材料系和機(jī)械工程系的余桂華教授。

  論文信息：

  Y. Ding, X. Guo, Y. Qian, L. Xue, A. Dolocan, G. Yu, "Room-Temperature All-Liquid-Metal Batteries Based on Fusible Alloys with Regulated Interfacial Chemistry and Wetting", Adv. Mater., 2020, 32, 2002577

  課題組鏈接：https://yugroup.me.utexas.edu/