Advanced Materials:“化蛹成蝶”——半液态的合金界面助力高性能的金属电池

随着人们对高能量密度储能系统需求的日益增长,金属电池成为储能领域发展的必然趋势。金属负极因其具有较高理论容量高和较低的电化学电位,如锂(Li)、钠(Na)、钾(K),铝(Al)、锌(Zn)和镁(Mg),被研究者寄予厚望。但在实际应用中,金属电池的电极与电解质之间普遍存在系列的界面问题:如巨大的界面电阻、循环过程中金属枝晶生长和电极体积膨胀,会导致电极库伦效率低、电池循环寿命差,甚至带来安全隐患,严重限制了它们的产业发展。如果能设计、构建一种具有高导电性的、并可与电极和电解质都兼容的、结构稳定的界相层,势必会助力金属电池的发展。

中国广东工业大学材料与能源学院陶涛及合作者针对这一问题,利用液态金属汞在室温可溶解多种金属并形成合金的独特性质,在金属电极表面原位构建了一层厚度可控的合金层。因为合金层在含活性金属离子少时是液体,含活性金属离子多时是固态,所以当电池循环时,合金层会随其活性离子浓度的变化进行可逆固液转化,有效解决了电极与电解质之间的界面问题。相关结果发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.202004798)上。

该团队在研究中发现液体汞齐对无机固态电解质具有良好的浸润性,因此在室温下,通过原位合金反应构建了各种类型性能稳定的金属电池负极。研究还发现,在长循环过程中,当含有合金层的金属电极进行脱离子时,合金层中活性离子浓度会不断减少,导致半液态合金层的生成;当金属电极进行嵌离子时,随活性离子浓度的增大,液态合金层会恢复为固态。这种具有可逆室温固液转化、高电导、可自愈的合金界层能有效改善固态电解质与金属电极之间差的兼容性;阻止了具有较高活泼性的金属电极与电解质直接接触,抑制了不稳定的界相层产生;提高了循环过程金属电极表面结构平整性,缓解了金属枝晶生长和电极体积膨胀,从而为解决金属电池负极与电解质之间的界面问题提供了一种理想的方案。