美國斯坦福大學(xué)的YiCui教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于石榴石相結(jié)構(gòu)固態(tài)電解質(zhì)的液態(tài)鋰金屬電池，可在240℃左右溫度穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)展現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。

以熔融鋰金屬作為負(fù)極的液態(tài)金屬電池具有極高的電容量，長久以來在工業(yè)領(lǐng)域有較廣的應(yīng)用。但由于鋰金屬熔點(diǎn)較高，電池工作溫度一般在450℃以上，導(dǎo)致運(yùn)營成本居高不下;此外，熔融鹽中鋰的溶解會導(dǎo)致自放電和較低的庫倫效(<98%)。

針對上述問題，美國斯坦福大學(xué)的YiCui教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于石榴石相結(jié)構(gòu)固態(tài)電解質(zhì)的液態(tài)鋰金屬電池，可在240℃左右溫度穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)展現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。研究人員采用熔融鋰金屬為負(fù)極，熔融錫鉛合金(Sn-Pb)或鉍鉛(Bi-Pb)合金為正極，選用石榴石相結(jié)構(gòu)的鋰鑭鋯鉭氧化物L(fēng)i6.4La3Zr1.4Ta0.6O12(LLZTO)陶瓷管作為全固態(tài)電解質(zhì)，組裝了兩種結(jié)構(gòu)的液體鋰金屬電池系統(tǒng)：Li||LLZTO||Sn-Pb和Li||LLZTO||Bi-Pb，其中熔融鋰金屬負(fù)極在LLZTO陶瓷管內(nèi)部，合金正極在外部。管狀陶瓷電解質(zhì)一方面將熔融鋰金屬負(fù)極包裹在內(nèi)，起到鋰離子傳導(dǎo)作用，同時(shí)可以作為隔層將鋰金屬負(fù)極與合金正極隔開。在240℃、50mAcm-2和100mAcm-2電流密度下，Li||LLZTO||Sn-Pb和Li||LLZTO||Bi-Pb兩種電池均可以穩(wěn)定循環(huán)約一個(gè)月，且?guī)缀鯖]有容量衰減，平均庫侖效率為99.98%，這是迄今為止已報(bào)道的工作溫度最低的液體金屬鋰電池。并且，該電池還具有高功率特性，Li||LLZTO||Sn-Pb電池在電流密度高達(dá)300mAcm-2時(shí)，功率密度為90mWcm-2;Li||LLZTO||Sn-Pb電池在電流密度高達(dá)500mAcm-2時(shí)，功率密度為175mWcm-2。而就成本而言，全固態(tài)電解質(zhì)LLZTO成本僅為0.037美元/克，Li||LLZTO||Sn-Pb和Li||LLZTO||Bi-Pb全電池成本依次為160美元/千瓦時(shí)和80美元/千瓦時(shí)，較為低廉。這種中低溫、高安全性、低成本電池將在電網(wǎng)等大規(guī)模儲能領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

該項(xiàng)研究巧妙設(shè)計(jì)了管狀的石榴石型LLZTO全固態(tài)電解質(zhì)，在此基礎(chǔ)上制備了液態(tài)鋰金屬電池，在保持電池高性能和穩(wěn)定性前提下，使電池的工作溫度下探到了創(chuàng)紀(jì)錄的240℃低溫，為設(shè)計(jì)和開發(fā)高效低溫的液態(tài)金屬電池開辟了新路徑。相關(guān)研究成果發(fā)表在《NatureEnergy》。