液态金属电池主要用于电池储能系统 (BESS)，但未来可能会应用于电动汽车 (EV)、可穿戴设备和便携式设备。首个使用液态金属电池的商用 BESS 预计将很快投入使用，但大规模市场渗透的长期前景仍不明朗。液态金属电池的首要优势是其成本可能约为锂离子电池的三分之一。那么，它们是如何工作的，又有哪些缺点呢？
本常见问题解答将回顾当前高温液态金属电池的运行、优点和缺点，研究易熔合金技术的发展如何扩大液态金属电池的使用范围，并考虑需要哪些技术进步才能实现室温液态电池的生产。
目前的液态金属电池设计工作温度为几百摄氏度，用于兆瓦 (MW) 级 BESS 装置。它们不适用于电动汽车。
它们不需要大量加热或冷却。它们具有良好的绝缘性，一旦加热到工作温度，就可以通过定期充电/放电循环保持其温度。此外，它们不需要锂离子电池储能系统中的灭火系统或其他安全系统，其使用寿命预计为 20 年。目前的液态金属电池设计已获得 UL 1973 认证。
液态金属电池由钙（Ca）作为液态金属负极，以氯化钙CaCl2为基础的盐电解质，以及作为正极的固体锑（Sb）颗粒组成。充电时，Ca和Sb分离。放电时，Ca和Sb结合成CaSb x化合物加上电子。完全放电时，Ca和Sb全部完全结合，形成金属间合金。充电时，金属间合金分解为Ca和Sb（图1）。
图 1. 以 Ca 为负极、Sb 颗粒为正极的高温液态金属电池即将实现商业化生产（图片：Ambri）。
基于液态金属电池技术的完整 BESS 模块包括电池架，以及热能和电池管理系统，它们位于一个防风雨外壳中，就像一个集装箱。该系统还包括一个用于电网连接的双向逆变器。如果每天循环使用，集装箱内的电池架是绝缘的，并且会“自热”。在这种情况下，它们不需要外部热源来维持适当的工作温度。多个 BESS 集装箱可以直接并联连接，以产生更大的系统，而无需开沟或额外布线。
虽然液态金属电池成本极低、使用寿命长，且可以组装成微波系统，但它也有一些缺点，包括：
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效率约为 80%，而锂离子的效率为 90%。
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特定能量密度约为 200 Wh/kg，而锂离子电池的特定能量密度为 260 Wh/kw。
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与锂离子电池的 3.6 V 相比，它的电池电压低于 1 V。
易熔合金技术
易熔合金正在作为生产低温液态金属电池的一种可能技术进行研究。易熔合金是一种易于熔合且在相对较低的温度下易熔化的金属合金。“易熔合金”有时用于描述熔点低于 183°C 的合金。这些易熔合金用于生产焊料之类的材料。正在研究的用于液态金属电池的易熔合金是共晶系统。共晶系统是一种均质混合物，其熔点低于组成元素的熔点。所有元素混合比中的最低熔点即为共晶温度（图 2）。
图 2. 利用共晶系统制成的可熔合金有望支持低温液态金属电池（图片：ACS 中心科学）。
有多种可能的共晶系统可用于开发液态金属电池的易熔合金。金属电极的熔化温度决定了电池的工作温度，但这并不是唯一重要的考虑因素。与成本和安全相关的因素可用于进一步缩小范围，以找到实际可能性。例如，汞 (Hg) 的熔化温度低，但有毒，会造成长期的环境损害。因此，Hg 不是一个好的选择。
碱金属如铷 (Rb) 和铯 (Cs) 是可行的，但它们的成本太高。就 Rb 而言，生产成本是问题所在。Rb 比锂更丰富，但由于其在地壳中高度分散且不易大量获取，因此价格要高得多。此外，出于安全考虑，高反应性元素需要更昂贵的制备。例如，许多元素由于其高化学反应性而具有高度腐蚀性。未来可能会开发出降低获取和使用 Rb 成本的技术，但就目前而言，它的成本太高，难以用于液体电池。
其他碱金属如钠 (Na) 和钾 (K) 也是可熔合金的可能候选者，它们都比锂更丰富，且反应性很强。一般来说，碱金属容易氧化，在空气中易燃。镓 (Ga)、铟 (In) 和锡 (Sn) 在空气和水中相对稳定，不会造成严重的健康或安全问题。镓基合金更安全，危害相对较小。其中一些可熔合金组合的电压也可以接近 1 V，与其他液态金属电池技术相比，性能更优越。因此，最近许多努力都致力于将这些元素用作液体电池的电极。像 NaK-GaIn 这样的组合可以具有非常低的工作温度，接近室温。（图 3）。
图 3. 全金属液体电池已研究了几十年，最近的努力主要集中在碱金属的新组合上（图片：ACS 中心科学）。
达到室温
Ga 基室温液态金属 (GBRTLM) 具有固有的流动性、生物相容性和金属安全性。它们可用于生产柔性电池，为各种未来应用供电，包括可变形设备、表皮电子设备、传感器、软机器人和手机等便携式设备。通过不同的封装，它们可以适用于电动汽车和电池储能系统等高功率应用。GBRTLM 可用于主反应电极、辅助电极（当工作电极作为阳极运行时，辅助电极充当阴极，反之亦然），以及用于光伏电池等应用中的互连电极（图 4）。
图 4. GBRTLM 在液体电池中的潜在应用和特性（图片：能源前沿）。
可扩展性潜力是使用 GBRTLM 的室温液体电池的主要吸引力之一。低成本是电动汽车和电池储能系统应用的主要考虑因素，而小型化和适应性对于可穿戴设备和其他小型设备至关重要。使用 GBRTLM 可以减少在热管理、密封性和防腐方面所需的投资。
GBRTLM 的主要缺点是使用 Ga，而 Ga 目前非常昂贵。针对高成本，有两种可能的解决方案。一种是降低 Ga 的开采成本。从长远来看，这可能是可行的。Ga 的丰度大于 Li，与铜 (Cu) 和 Ni 相当，大于钴 (Co)，这表明未来 Ga 的成本可能会降低。在短期内，目前正在研究开发成本较低的 Ga 合金，如 Ga-锡 (Sn)，其性能与纯 Ga 电极相当，但成本要低得多。
在一个案例中，研究人员制造了一种原型电池，其阳极使用 NaK 合金，阴极使用 Ga 基合金，并采用有机电解质。原型电池在 20 °C (68 °F) 的温度下保持液化，这是撰写本文时液态金属电池的最低工作温度（图 5）。研究人员目前专注于解决两个挑战。一个与成本相关的挑战是减少（或消除）Ga 的使用。其次是需要一种在室温下具有更好导电性的电解质，以支持更高的功率能力。由于电解质导电性不足，目前的室温设计无法与高温液态金属电池竞争。
图 5. 该原型液态金属电池在 20°C 的温度下保持液化状态（图片：德克萨斯大学奥斯汀分校）。
文章转载自微信公众号：汽车研究院auto