近日，上海交通大学王如竹教授和李廷贤研究员领衔的“能源-空气-水”交叉学科创新团队ITEWA（Innovative Team for Energy, Water & Air）在国际能源材料领域期刊Energy Storage Materials上发表了题目为“Progress and perspectives of liquid metal batteries”的综述论文。论文聚焦液态金属电池，从电化学机理、多物理场建模两个方面对液态金属电池当前的研究现状进行了系统性介绍，并指出了面临的挑战和机遇，展望了高性能液态金属电池今后的发展。论文第一作者是机械与动力工程学院助理教授仵斯，通讯作者是王如竹教授和李廷贤研究员。
在不同温区运行的液态金属电池研究进展和挑战示意图
在众多类型的储能技术中，电化学储能具有能量密度高、响应快、建设周期短、安装灵活等优势。对于固定式、规模化的储能应用，评价电池性能的关键指标有经济性、安全性、能量密度、功率密度、能量效率等。针对这些指标，国内外学者重点关注采用储量丰富的材料作为电池活性材料，发展本征安全电池体系，探索新的电池化学（正负极材料和电解质）等，以替代目前占主导地位但面临成本高、资源不足、安全事故频发等突出问题的锂离子电池。由于可充电液态金属电池具有长寿命、低成本、大容量及高安全性等优势，而广义上的液态金属电池为至少包含一种液态金属电极的电化学储能器件，金属电极的液态化使这类电池摆脱了传统固态电极材料因结构稳定性差、易产生枝晶而导致的循环寿命短、热失控等问题，并且液态电极独特的传质与反应动力学特性使这类电池具有大容量、高功率等优点。现阶段，部分高温液态金属电池已初步实现商业化，而新兴的中低温/室温液态金属电池尚处于研究初始阶段，仍面临着循环稳定性、经济性等多方面挑战。
文章聚焦液态金属电池关键科学与技术问题，按工作温区将液态金属电池分为高温（>350oC）、中温（100~350oC）与室温（~25oC）液态金属电池，从电池化学的角度梳理了现有液态金属电池的电极与电解质组成及其电化学性能；系统总结了液态金属电池内发生的相变、流动、传质、传热、电化学反应等多物理过程作用规律及其对温度的依赖性；分析并展望了液态金属电池面临的挑战和未来研究方向，包括低温化策略、新电池化学体系、界面工程、密封和腐蚀、多物理场耦合作用等。文章重点指出了提高液态金属电池综合性能的四个策略，即筛选更好的电极和电解质、完善电极和电解质的微观结构设计、进行宏观结构参数的优化以及实现边界条件的合理设置，为实现液态金属电池大容量和规模化应用于电网级储能提供了重要参考。
王如竹教授领衔的ITEWA团队近年来在Nature Energy、Nature Communications、Chemical Society Reviews、Joule、Energy & Environmental Science、Advanced Materials、ACS Energy Letters等国际期刊上发表系列跨学科交叉论文，该团队致力于解决能源、水、空气交叉领域的前沿基础性科学问题和关键技术，旨在通过学科交叉实现材料-器件-系统层面的整体解决方案，推动相关领域取得突破性进展。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2023.02.021
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