伍晖:基于固态电解质的液态锂金属电池

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研究亮点：

1.选用石榴石型LLZTO陶瓷管作为固态电解质，使液态金属可以在240℃温度下操作，史上最低。

2.巧妙地结构设计得到了兼具高容量、高安全性和低成本的液态金属电池，进一步加快其商业化。

智能电网需要同时满足高容量、高安全性、低成本等特点。数十年来，虽然各种新材料和新技术层出不穷，真正实用化的大规模储能电池体系仍然待字闺中。

各种新技术中，上世纪60年代问世的液态金属电池体系在大规模储能领域表现不错，其中以熔融锂金属作为负极的液态金属电池尤其是其中的佼佼者。这种电池一般使用熔融金属盐电解质，至少存在以下两大问题：

1）由于锂金属熔点较高，导致电池工作温度一般杂质450℃以上，运营成本居高不下；

2）熔融盐中锂的溶解会导致自放电和较低的库伦效率（<98%）。

有鉴于此，清华大学伍晖课题组和斯坦福大学崔屹课题组合作，报道了一种基于固态电解质的液态锂金属电池，可在240℃左右温度下稳定工作！

研究人员以熔融锂金属为负极，熔融Sn-Pb或Bi-Pb合金为正极，选用了石榴石型Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12 (LLZTO)固态电解质陶瓷管。基于这种结构，研究人员组装了两种模型电池系统：Li||LLZTO||Sn–Pb和Li||LLZTO||Bi–Pb。

电解质以管状形式将熔融锂金属包裹在内，起到锂离子传导作用，同时隔离液态金属电极。之所以选用这种石榴石型的固态电解质，是考虑到其离子传导性会随着温度升高而大幅提高。同时，电池体系中形成液-固界面，而不是液-液界面，极大地降低了界面阻抗。

研究表明，这类电池确实表现出优异的功率容量和库伦效率以及循环稳定性。在50 mA cm-2和100 mA cm-2电流密度条件下稳定循环工作1个月之久，电池几乎没有发生容量衰退的迹象，平均库伦效率高达99.98%。至于功率容量，300 mA cm-2电流密度下可达到90 mW cm-2（Li||LLZTO||Sn–Pb），500 mA cm-2电流密度下可达到175 mW cm-2（Li||LLZTO||Bi–Pb）。

总之，这项研究为大规模储能系统的操作条件、安全性以及运营成本等方面都带来了新的启发。

参考文献：

YangJin, Kai Liu, Hui Wu, Yi Cui et al. An intermediate temperature garnet-typesolid electrolyte-based molten lithium battery for grid energy storage. NatureEnergy 2018.

https://www.nature.com/articles/s41560-018-0198-9