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，電動汽車儲能技術迎來革新。中國科學技術大學談鵬教授團隊在液流電池領域取得突破，設計出室溫液態(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)清理能源轉型的關鍵。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用。近日，中國科學技術大學工程科學學院熱科學和能源工程系特任教授談鵬團隊在液流電池領域取得重要突破，為電動汽車儲能技術的發(fā)展提供了新思路。相關成果以題為“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，結合堿性電解質和空氣正極，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)金屬基液流電池結構及性能
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，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，顯著下降熱失控風險；
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副反應，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)的內燃機與電池系統(tǒng)雙動力源架構。此外，研究團隊針對電動汽車的實際應用需求，提出了概念性電池堆疊設計，采用共享的集中式電解質儲罐，并結合機械快速充電與傳統(tǒng)電化學充電兩種模式，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計及其電動汽車中的應用
中國科學技術大學工程科學學院熱科學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基金的支持。