液态金属电池

电网静态电化学储能与汽车动力电源对电池特性的要求各有侧重，前者以储能价格和电池寿命作为第一要素，而后者则以能量密度、功率特性和安全性能作为研发重点。因此，静态电化学储能技术的发展如果完全沿用动力电池的研究思路，将很难实现新的技术突破。实现储能技术的低价格、长寿命、高效率和易放大，是电网电化学储能研究领域的共同目标。然而，前述各种电化学储能技术都不能很好地满足这些目标。针对这个问题，美国麻省理工学院(MIT)Sadoway教授等人独辟蹊径，近年来提出液态金属电池大规模电化学储能的新思路。从液态金属电池的工作原理、工程设计到现有研究结果来看，能较好地满足前述大规模静态储能的技术要求。因此，这一技术在美国引起了学术界、工业界及政府部门的广泛关注和媒体报道。

液态金属电池的原型为全液态电解池，其原始概念可以追溯到20世纪20年代美国铝业公司(Aluminum Company of America)为电解制备高纯铝而发展起来的3层液态Hoopes电化学池，即液态铝和铜铝合金分别作为负极和正极，以熔融A1F3-NaF-BaF2为电解质的电解池。20世纪六七十年代，通用汽车公司(General MotorsCorporation)和原子国际(Atomics International)，特别是美国阿贡国家实验室(Argonne NationalLaboratory)，基于全液态电解池的基本概念，开展了约10年的全液态(热再生)高温电池的研究。

但随着电动汽车的发展，研究人员越来越多地将目光投向具有更高比能量的其他电池体系，最终放弃了这一类电池的研究。近年来，在美国能源部和法国TOTAL石油公司的大力资助下，包括本文主要作者在内的MIT液态金属电池研发团队创新性地开展了液态金属电池的材料和系统的研究，取得了较好的成果。

液态金属电池以熔融态金属作为正负极，熔盐作为电解质。由于熔融态金属与熔盐互不混融，3层液态由于密度的差异而自动分层。在电池放电时，负极金属失去电子，并通过外电路做功，而负极金属离子化后通过熔盐迁移到正极并与正极金属合金化。充电则执行相反的过程。


液态金属电池的特殊设计使其具有较好的储能性能。首先，液态电极的使用在很大程度上克服了固态电极所固有的较慢动力学特性，同时无机熔盐高达3(Ω·cm)-1的电导率也大大提升了电解质的离子迁移率，使得液态金属电池即使在几A／cm2的电流密度下充放电时，依然能保持较高的能量效率。液态电极不存在长期使用造成的电极形变和枝晶生长等影响电池寿命及安全性能的因素，因此可以长期安全运行，预计电池寿命可以达到15年。无机熔盐电解质兼做正负极隔离层，电池无需特殊隔膜，既降低了电池的成本，又使得电池体系容易放大和生产。由于不存在隔膜技术的制约，且电极和电解质来源广泛、价格较低，通过测算得出液态金属电池系统的储能价格有望低于250美元/(kW·h)，能满足目前市场对大规模储能的价格预期。液态金属电池的高倍率充放电性能及电池系统的可放大性，使得液态金属电池能满足能量型和功率型双重应用，在大规模储能中有着广阔的应用前景。

但镁一锑液态金属电池的工作温度较高(约700℃)，放电电压较低(0.4～0.5 V)，因此，该体系不具有实际的应用价值。通过新型电极材料和系统的研发，具有较好储能性能的实用体系现已基本研发成功，相关研究成果即将正式发表。。液态金属电池在大规模电网储能应用中具有前述诸多优点，但电池的全液态设计、电池的高温操作和相对较低的电池电压则限制了其在汽车动力电池中的应用。目前液态金属电池研发的重点是通过开发新材料、选择新体系、降低电池操作温度、提高电池电压，来进一步提高电池性能和降低储能成本。同时，液态金属电池的高温密封和腐蚀等问题仍需要加强研究。