中國科大研發(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，電動汽車儲能技術(shù)迎來革新。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)談鵬教授團隊在液流電池領(lǐng)域取得突破，設(shè)計出室溫液態(tài)金屬基液流電池，實現(xiàn)超高能量密度與超快充電，為電動汽車儲能提供了安全、高效的新方案。

隨著全球碳中和目標的推進，電動汽車(EV)成為實現(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題限制了電動汽車的廣泛應(yīng)用。近日，中國科學(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隊在液流電池領(lǐng)域取得重要突破，為電動汽車儲能技術(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《先進能源材料》(Advanced Energy Materials)上。談鵬教授團隊設(shè)計了一種由鎵、銦以及鋅組成的液態(tài)合金電極(Ga80In10Zn10, wt.%)作為可流動態(tài)負極，結(jié)合堿性電解質(zhì)和空氣正極，實現(xiàn)了超高能量密度與快速充電性能。理論容量密度高達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的長時間穩(wěn)定放電(123小時)。
圖1 室溫液態(tài)金屬基液流電池結(jié)構(gòu)及性能
該電池在充電過程當中展現(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：
1)高安全性：采用水系電解質(zhì)，顯著下降熱失控風(fēng)險；
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：通過添加10%的鋅和10%的銦，有效抑制電極枝晶生長和化學(xué)副反應(yīng)，確保電池長時間穩(wěn)定運行。
該室溫液態(tài)金屬基液流電池為傳統(tǒng)混合動力汽車(HEV)提供了一種全新的替代方案，通過單一的液態(tài)金屬液流電池系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的內(nèi)燃機與電池系統(tǒng)雙動力源架構(gòu)。此外，研究團隊針對電動汽車的實際應(yīng)用需求，提出了概念性電池堆疊設(shè)計，采用共享的集中式電解質(zhì)儲罐，并結(jié)合機械快速充電與傳統(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)計及其電動汽車中的應(yīng)用
中國科學(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，深空探測國家重點實驗室尚文旭博士為共同通訊作者。該研究得到了國家創(chuàng)新人才計劃青年項目和安徽省自然科學(xué)基金的支持。