中國(guó)科大研發(fā)出室溫液態(tài)金屬基新型超快充液流電池

在全球碳中和背景下，電動(dòng)汽車儲(chǔ)能技術(shù)迎來(lái)革新。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)談鵬教授團(tuán)隊(duì)在液流電池領(lǐng)域取得突破，設(shè)計(jì)出室溫液態(tài)金屬基液流電池，實(shí)現(xiàn)超高能量密度與超快充電，為電動(dòng)汽車儲(chǔ)能提供了安全、高效的新方案。

隨著全球碳中和目標(biāo)的推進(jìn)，電動(dòng)汽車(EV)成為實(shí)現(xiàn)清理能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。然而，現(xiàn)有鋰離子電池(LIB)因能量密度、充電速度及安全性等問(wèn)題限制了電動(dòng)汽車的廣泛應(yīng)用。近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院熱科學(xué)和能源工程系特任教授談鵬團(tuán)隊(duì)在液流電池領(lǐng)域取得重要突破，為電動(dòng)汽車儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展提供了新思路。相關(guān)成果以題為“High-Performance Liquid Metal Flow Battery for Ultrafast Charging and Safety Enhancement”的論文發(fā)表在《先進(jìn)能源材料》(Advanced Energy Materials)上。談鵬教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種由鎵、銦以及鋅組成的液態(tài)合金電極(Ga80In10Zn10, wt.%)作為可流動(dòng)態(tài)負(fù)極，結(jié)合堿性電解質(zhì)和空氣正極，實(shí)現(xiàn)了超高能量密度與快速充電性能。理論容量密度高達(dá)1004.4 Ahkg-1，且在10 mA cm-2的電流密度下表現(xiàn)出平均容量密度635.1 Ahkg-1的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定放電(123小時(shí))。
圖1 室溫液態(tài)金屬基液流電池結(jié)構(gòu)及性能
該電池在充電過(guò)程當(dāng)中展現(xiàn)出與傳統(tǒng)汽油加注相媲美的超快充電能力(<5分鐘)。相比于現(xiàn)有的鋰離子電池和其替代技術(shù)，室溫液態(tài)金屬基液流電池還具有以下顯著優(yōu)勢(shì)：
1)高安全性：采用水系電解質(zhì)，顯著下降熱失控風(fēng)險(xiǎn)；
2)高效率：在800次循環(huán)中充電電壓為1.77 V，能量效率相比常規(guī)空氣電極提升22%；
3)優(yōu)異穩(wěn)定性：通過(guò)添加10%的鋅和10%的銦，有效抑制電極枝晶生長(zhǎng)和化學(xué)副反應(yīng)，確保電池長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。
該室溫液態(tài)金屬基液流電池為傳統(tǒng)混合動(dòng)力汽車(HEV)提供了一種全新的替代方案，通過(guò)單一的液態(tài)金屬液流電池系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)與電池系統(tǒng)雙動(dòng)力源架構(gòu)。此外，研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)電動(dòng)汽車的實(shí)際應(yīng)用需求，提出了概念性電池堆疊設(shè)計(jì)，采用共享的集中式電解質(zhì)儲(chǔ)罐，并結(jié)合機(jī)械快速充電與傳統(tǒng)電化學(xué)充電兩種模式，大幅提升了系統(tǒng)的靈活性和空間利用效率。
圖2 室溫液態(tài)金屬基液流電池堆疊設(shè)計(jì)及其電動(dòng)汽車中的應(yīng)用
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院熱科學(xué)和能源工程系特任教授談鵬為該論文的通訊作者，何義博士為第一作者，深空探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室尚文旭博士為共同通訊作者。該研究得到了國(guó)家創(chuàng)新人才計(jì)劃青年項(xiàng)目和安徽省自然科學(xué)基金的支持。