文章背景

以鋰金屬為代表的鹼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鹼金屬電池提供了可能性，不僅可以直接作為無支晶的鹼金屬負極，其獨特的材料特性還帶來了更多的拓展應用。

成果簡介

美國

德克薩斯大學奧斯汀分校

的

餘桂華

教授團隊近日在材料類頂級期刊

Advanced Materials

上發表了

基於液態金屬的高能量密度電池的材料效能、設計機理與應用的綜述

。本文以理解液態金屬的機械、電化學和熱力學效能為基礎，從原理上拓展出其在電池領域中的應用方向，總結並討論了現有研究工作的創新點以及尚待繼續探索的方向，併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，高元素丰度與價效比，以及無支晶等特點。基於合金的電化學特性使得鹼金屬族的液態合金可以實現鹼金屬氧化還原，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透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-電介質介面化學使得液態金屬的介面具有較為均勻的離子導通，較為穩定的介面層，以及離子的選擇透過性。液態金屬優越的機械效能主要體現在其流動性、相對於傳統高溫液態金屬而言大大降低的熔點、以及在不同介面上可調控的浸潤性。著眼於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，然後介紹了包含物理浸潤與化學反應誘導浸潤的屬於液態金屬的獨特的浸潤現象，並且討論了其在電池反應中的介面化學。本著對機理的理解，作者將該領域的主要工作劃分成基於液態金屬流動性和其獨特的介面性質兩個大方向來介紹。得益於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，而奈米技術則是利用了這一特性實現了薄奈米塗層等設計。另一方面，獨特的介面性質使得液態金屬成為了良好的電極塗層、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。

文獻詳情：

Design Principles and Applications of Next-Generation High-Energy-Density Batteries Based on Liquid Metals

Xuelin Guo， Yu Ding， Guihua Yu

Adv。 Mater。，

2021

， DOI： 10。1002/adma。202100052

導師介紹

餘桂華，美國德克薩斯大學奧斯汀分校材料科學與工程系，機械系終身教授，英國皇家化學學會會士（FRSC）和皇家物理學會會士（FInstP）。

餘桂華教授課題組的研究重點是新型功能化奈米材料的合理設計和合成，尤其是對能源和環境凝膠材料的開創性研究，對其化學和物理性質的表徵和探索，以及推廣其在能源，環境和生命科學領域展現重要的技術應用。目前已在Science， Nature， Nature Reviews Materials， Nature Materials， Nature Nanotechnology， Nature Catalysis， Nature Sustainability， Nature Communications， Science Advances， PNAS， Chemical Reviews， Chemical Society Reviews， Accounts of Chemical Research， JACS， Angewandte Chemie， Advanced Materials， Energy & Environmental Sciences， Chem， Joule， Nano Letters， ACS Nano， Nano Today， Mater。 Today等國際著名刊物上發表論文200餘篇，論文引用~41，000次，H-index~105。

現任ACS Materials Letters副主編，是近二十個國際著名化學和材料類科學期刊的顧問編委，如Chemical Society Reviews（RSC），ACS Central Science， Chemistry of Materials（ACS），Chem，Cell Reports Physical Science（Cell Press），Nano Research（Springer），Science China-Chemistry， Science China-Materials， Nature Scientific Reports， Energy Storage Materials（Elsevier），Energy & Environmental Materials（Wiley-VCH）等。

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