【48812】【科技自立自强】资料学院资料立异规划中心（CAID）宁晓辉教授课题组：改进正极潮湿性以进步Bi基液态金属电池的循环安稳性

  西安交通大学资料学院资料立异规划中心（CAID）宁晓辉教授课题组提出一种改进液态金属正极潮湿性的战略，提升了电池的循环功能。

  液态金属电池的正极、负极均为金属，电解质为无机熔融盐，在运转温度下因为密度的差异分为三层液态，具有结构相对比较简单，容量易扩大、安全性高、本钱低一级优势，是一种极具远景的新式储能技能。但因为正极金属本身外表张力较大，在电池壳基底（304不锈钢）上潮湿性差，使得电池内阻增大，运转进程电流散布不均匀，引起正极/电解质界面动摇，影响了电池的安稳运转，约束了电池寿数。

  依据此，受启发于冶金进程常用硫族元素作为外表活性剂，宁晓辉教授团队选用Se为正极增加剂，在正极金属Bi标明产生Bi-Se共价键，下降了外表张力（纯Bi，0.380 N m−1；Bi-Se4，0.155 N m−1），使得正极金属在不锈钢基底上更简单铺展。比较纯Bi在不锈钢基底上接触角为144.7°，体现出差的潮湿性；跟着Se的参加至4 mol%，接触角下降至74.3°，正极金属与304不锈钢电池壳（正极集流体）之间的潮湿性得到了明显改进。这种简洁且经济有用的办法还能够扩展到其他液态电极中。

  图1Bi-Se正极在不锈钢电池壳上的潮湿行为。（a）Bi，Bi-Se1，Bi-Se4在不锈钢基底上的接触角；（b）电池结构示意图；（c）Bi，Bi-Se1，Bi-Se4在电池壳底的铺展状况及（d）潮湿性改进机制。

  本作业以金属Li为负极，LiCl-LiF-LiBr熔融盐为电解质，Bi/Bi-Se为正极，组装了20 Ah等级的电池，探求了Se对电池内阻及循环功能的影响。从图2a所示的电压曲线 mol%的Se后，过电位比Li Bi电池下降了67.4 mV。Li Bi-Se4电池内阻较低且动摇较小(图2b)，标明正极与电解质之间的界面更安稳。依据Bi-Se4合金正极在集流体上杰出的潮湿性，使得电池电阻下降，正极/电解质界面安稳性进步，能够预期Bi-Se4电极具有优异才能的循环功能。如图2e所示，Li Bi-Se4电池在185 mA cm-2(0.5 C)恒电流测验下运转1200圈，均匀放电容量为19.2 Ah，标明活性物质利用率到达90 %以上，库伦功率为99.6 %，能量功率为74.8%，容量坚持率高达97.9%，超过了迄今为止一切报导的液态金属电池。此外，本作业进一步扩大电池容量至200Ah，Li Bi-Se4电池仍体现出了优异的循环功能，且比较Li Bi电池，具有跟高的单位体积内的包括的能量和更低的本钱。从大规划储能的视点来看，这种在正极中增加少数Se增加剂以完成长寿数和低本钱的战略对实践使用具有极端重大意义。

  图2 20 Ah等级电池的电化学功能。（a）Li Bi与Li Bi-Se4电池充放电曲线和（b）全充电态直流内阻；（c）Li Bi-Se4电池的循环功能（500℃）。

  为了说明Se进步循环功能的机理，对Bi-Se4电极在彻底放电后的截面进行表征，成果如图3所示。依据成果得出：Se增加剂与Bi金属合金化在熔化正极金属的进程中构成了少数的Bi2Se3，进一步证明是经过构成共价键下降了Bi的外表张力；放电产品主要为Li3Bi和少数的LiBi金属间化合物，且Se不与Li产生反响。此外，与纯Bi电极在放电进程中拱起不同，Bi-Se正极的外表平坦，这在某种程度上预示着因为潮湿性变好产生了均匀的电流散布和更安稳的界面，然后使得放电产品在界面处均匀成长，提升了电池的循环安稳性。

  图3 Bi-Se4电极运转后剖面表征。（a）电极剖面图；（b）SEM图片；（c）XRD图谱

  总结：Se增加剂经过下降外表张力，明显改进了Bi基正极在集流体上的潮湿性，使电池的电阻下降，电流散布均匀，电解质/正极界面安稳。因而，在Li Bi-Se4电池中获得了优异的循环安稳性和长达1200次的循环寿数，容量衰减率仅为0.00174%/循环。此外，Se增加剂在合理的增加量下不会引发副反响或对电池有晦气影响。本作业的发现为开展新一代长寿数液态金属电池供给了新思路，逐步增强了其在电网规划储能使用中的吸引力。

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