液态金属电池充放电过程中正极材料相组成及微结构的演化过程

The increasing deployment of renewable energy sources such as solar and wind power requires a commensurate increase in energy storge capacity to integrate them into the electrical power grid. Combining these sources with the energy grid is especially challenging due to the large, rapid variability in their output. Intermittent spikes or drops in power must be smoothed for duration as short as a few seconds, whereas load balancing is needed to counter diurnal fluctuations. Liquid metal battery, with long cycle life, high rate capability and low cost, can be severed as a grid scale energy storage device. The liquid metal alloy could be used as the positive electrode for liquid metal battery, which has the good performance with the low price. However, it is found the “dome-like” intermetallic was easily formed on the top of positive electrode, which might result in the battery short. The mechanism of this phenomenon is still unknown. Here, we propose to use ex-situ and in-situ methods to investigate the evolution of phase and structure of Bi-Sb liquid electrode during charging and discharging process. The research will reveal the relationship between the phase and structure of positive electrode and the charge-discharge rate, and illuminate the mechanism of the formation of “dome-like” intermetallic.

随着风能发电、太阳能光伏发电在电网中的应用越来越多，风能、太阳能本身所固有的随机性和间歇性等特点必会对电网的平稳运行产生明显的影响。液态金属电池具有高倍率充放电、长寿命且低价格等特点，可作为新能源存储装置，有效解决新能源发电的随机性、波动性等问题。液态合金正极材料在液态金属电池中的应用可有效提高电池性能并降低价格，但初步研究发现充放电过程中合金正极材料表面易形成固态金属间化合物导致电池失效，其形成机理与影响因素并不清楚。本项目拟采用准原位和原位研究方法对电池的放电过程和充电过程中，正极材料的相组成和微观结构演化过程进行详细的研究，定量的描述充放电过程中合金正极材料相组成和微结构与充放电速率及合金比例之间的关系，揭示充放电过程中金属间化合物产生和变形的机理，进而提出能够有效避免其产生的办法，为液态金属电池正极材料的选择提供理论基础。

随着风能发电、太阳能光伏发电在电网中的应用日益广泛，风能、太阳能本身所固有的随机性和间歇性等特点必会对电网的平稳运行产生明显的影响。液态金属电池具有高功率充放电、长寿命且低价格等特点，是一类全新的能量型电化学储能技术，可有效解决新能源发电的随机性、波动性等问题。但目前对这一新型电化学储能体系的电极材料认识尚浅，严重制约了液态金属电池的进一步发展和实际应用。为解决液态金属电池材料关键科学问题，进一步提高液态金属电池性能，本项目以Bi-Sb合金电极作为研究对象，研究了不同组分Bi-Sb合金作为液态金属电池正极材料的电化学性能，定量描述了Bi-Sb合金比例与电池电化学性能的关系，获得了最优电化学性能的Bi-Sb合金比例；采用非原位分析手段研究了Bi-Sb合金放电过程中微结构与相组成演化过程，获得了不同比例的Bi-Sb合金放电过程中的放电程度与微结构关系的变化规律；优化Bi-Sb合金比例组装了大容量Li||Sb-Bi单体电池，获得了具有优异循环稳定性、大倍率充放能力的单体电池，并获得了89%的迄今为止最高的液态金属电池体系的能量效率，且成本仅为68 $ kWh-1；并在此基础上，提出并发展了固态金属Sb作为正极材料的新型液固金属电池，获得可很好的循环稳定性和倍率性能，具有很好的实用前景。项目在执行过程中，取得了一系列的研究成果，初步形成了一整套具有独立知识产权的液态金属电池核心技术体系，为实现下一代低成本、长寿命的能量型电化学储能技术提供了技术支撑。