Värmeöverföring inom flytande metallbatterier (LMB) induceras av cellens uppvärmning. Fasövergångar kan uppstå som ett resultat av lokala fluktuationer i koncentration och temperatur. Ett magnetfält skapas genom den elektriska strömmen och laddningens överföring under drift, vilket leder till Lorentz-krafter som kan orsaka flöden och magnetohydrodynamiska instabiliteter i större celler. Kompositionen av legeringen påverkar den elektriska potentialen i cellen, vilket kan leda till lokala förändringar. Vidare kan gränssnitten deformeras, vilket gör att systemet blir multiphasiskt. Vätskedynamiken i flytande metallbatterier är därmed komplex och involverar ett brett spektrum av flödesfenomen som lösningskonvektion i katoden, Marangoni-konvektion orsakad av yttänsningsskillnader på grund av koncentrations- och temperaturgradienter, samt Rayleigh-Bénard-konvektion som utlöses av elektrolytlagerets Joule-uppvärmning.

Taylors instabilitet

En strömdriven kinkinstabilitet, känd som Taylors instabilitet, uppstår när en elektrisk ström passerar genom en inkompressibel, viskös och resistiv vätskeledare, vilket producerar ett azimutalt magnetfält som blir instabilt. Denna instabilitet begränsar den största möjliga storleken på stora flytande metallbatterier. Taylors instabilitet kan uppstå när den elektriska strömmen skapar ett azimutalt magnetfält i en cylindrisk battericell, där Lorentz-kraften verkar inåt och skapar en instabil långsgående regim samt icke-koncentriska virvelströmmar i den tvärgående riktningen. Formelns beroende av Hartmann-numret ger en uppfattning om förhållandet mellan de magnetiska och viskösa krafterna i vätskedynamiken för flytande metaller. Instabiliteten av kink-typ är beroende av det radiala beroendet av det azimutala magnetfältet, vilket innebär att för att förhindra denna instabilitet måste strömmens intensitet styras på ett sätt som hindrar att den kritiska gränsen för instabilitet nås.

För att förhindra Taylors instabilitet kan flera strategier användas. Till exempel kan batteriströmmen noggrant styras för att undvika att det kritiska villkoret uppnås. Ett alternativ är att konstruera ett cylindriskt batteri med ett tomt centrum, vilket gör att större strömmar kan användas innan instabiliteten uppstår. En annan metod är att skapa en omvänd ström i centrum för att motverka effekten av Taylors instabilitet, men denna strategi kan minska den tillgängliga spänningen på grund av ohmiska förluster. För att ytterligare minska effekterna kan vätskan röras azimutalt, men detta är en tekniskt utmanande lösning för stora battericeller.

Elektro-vortexflöde

I en standard cylindrisk LMB-cell fungerar strömmen som flödar genom den positiva elektroden i en tvärgående riktning och skapar ett magnetfält som interagerar med strömmen och skapar en Lorentz-kraft som driver flödet i vätskan, även känt som elektro-vortexflöde. Elektro-vortexflöde är viktigt i flytande metallbatterier eftersom det kan förbättra blandningen av de flytande metallagren, vilket minskar polariseringseffekten och förbättrar massöverföringen i de flytande elektroderna. Om virvelflödet blir för starkt kan det dock deformera elektrolytlageret och påverka batteriets prestanda negativt.

Simuleringar visar att elektro-vortexflödet kan främjas eller hindras beroende på dimensionerna och aspektförhållandet hos de aktuella samlarna och elektroderna. För små batterier som hanterar milda strömmar kan elektro-vortexflödet vara en mer kritisk faktor än Taylors instabilitet. Den tunna vätskelagren och de små strömkollektorerna i LMB gör att strömfördelningarna divergerar mer, vilket förstärker elektro-vortexflödet.

Viktiga överväganden

Det är avgörande att förstå att vätskedynamiken i flytande metallbatterier inte enbart handlar om att hantera strömstyrka och flödesfenomen, utan också om att anpassa konstruktionen av battericeller för att hantera dessa instabiliteter på ett effektivt sätt. Strukturella förändringar, såsom att modifiera batteriets form eller hantera strömflödet med precision, kan vara avgörande för att säkerställa en stabil drift och förhindra att instabiliteter leder till haverier. Därtill bör forskningen fortsätta att fokusera på att hitta tekniska lösningar som kan mildra effekterna av både Taylors instabilitet och elektro-vortexflödet för att förbättra de praktiska tillämpningarna av flytande metallbatterier i storskalig energilagring.

Hur kan Ga-baserade flytande metaller förbättra batteriprestanda och långsiktig hållbarhet?

GaInSnZn har en flytande egenskap som är avgörande för att täcka den ursprungligen defekta ytan av Ti3C2Tx Mxene-ramverket. GaInSnZn, som är belagt på MXene-filmen, fungerar som amorfa nukleationsfrön. Detta möjliggör isotropisk Li-nukleation under den initiala pläteringsprocessen och säkerställer dendritfri Li-deponering i bulk. Eftersom GaInSnZn är lithiophilt reducerar det nukleationsbarriären, även vid höga strömtätheter. Detta innebär att man kan modellera bildandet av GaLi-binärlegeringsskiktet på Li-metallanoden genom en enkel in-situ jonbytarreaktion, genom att doppa Li-metallanoden i en 0,1 M lösning av GaCl3 i THF. GaLi-lagret fungerar som ett bra elektriskt ledande skyddsskikt och skapar en lithiophil yta, vilket resulterar i dendritfri Li-deponering och en förbättrad urladdningskapacitet på 148,7 mAh g−1 efter 100 cykler jämfört med en ren Li-anod (136,4 mAh g−1).

På liknande sätt i natriummetallbatterier föredrar Na+ att deponeras på de lokala svällande ytorna, vilket leder till dendritväxt av Na och gränssnittssprickor på den nakna Na-anoden. GaNa-legeringsskiktet kan bildas genom in-situ rullning av Ga-metall på Na-metallen (NGAL-Na), vilket undviker Na-dendritväxt och förbättrar den elektrokemiska prestandan hos NGAL-Na||Na3V2(PO4)3-cell. GaNa-legeringsskiktet reglerar Na+-pläterings- och stripprocesserna och ger en jämn Na-deponering, vilket resulterar i längre livslängd för NGAL-Na-anoden jämfört med den nakna Na-anoden.

Ga-baserade flytande metaller (LM) uppvisar en självhelande förmåga på grund av sin flytande egenskap och höga ytspänning, vilket gör att de kan återgå till sitt ursprungliga tillstånd efter att ha genomgått reversibla fasövergångsprocesser i olika batteriteknologier. Denna självhelande egenskap är avgörande för att säkerställa stabila och hållbara batterier. Ga-baserade LMs kan direkt användas som elektroder eller blandas med elektrokomponenter såsom bindemedel, ledande ämnen och aktiva elektrodmaterial. I båda fallen förändras Ga-baserade LMs form för att reparera defekter på elektrodytorna, förbättra gränssnittskontakterna och anpassa sig till volymförändringar under laddnings- och urladdningsprocesserna.

Bulk GaIn och GaIn nanopartiklar (GaIn LMNPs) används ofta som självhelande material för att återställa ytliga defekter på Cu-strömsamlare och mildra volymexpansionen vid upprepade laddnings-/urladdningscykler i Li+ och Na+ system. De inneslutna GaIn LM-partiklarna förbättrar kontakten mellan deponerade metaller och Cu-strömsamlaren, vilket är avgörande för att förhindra att deponerade metaller lossnar från strömsamlaren. GaIn LM-nanopartiklar sprider sig på elektrodytan, vilket underlättar kinetiken för Li+ eller Na+ och förbättrar urladdningskapaciteten för Li och Na halvcellsystem till 706 mAh g−1 respektive 222,3 mAh g−1.

Ga-baserade LMs som GaSn kan också kombineras med kolnanorör (CNTs) och styren-butadien-gummi (SBR) för att belägga Li-metallytan och bilda ett flytande metallinducerat artificiellt SEI-lager. De flytande metallinducerade SEI-lagren är mekaniskt flexibla och mildrar dendritväxt och kortslutningsproblem under cykling. Dessutom kan Ga-baserade LMs användas som självhelande elektroder för att återställa defekter i strömsamlare och reglera litium-lithiering/-delithieringsprocesserna i olika metalljonbatterier. Istället för att direkt belägga Ga-baserade LMs på Li-metallanoder eller elektrodströmsamlare kan de integreras i elektrodematerial.

Ga-baserade LMs kan appliceras på alkaliska metallerbatterier samt Mg- och Al-ionbatterier. Dock har Ga-baserade LMs som eutektisk GaSn (EGaSn) dålig vätbarhet på substratet av rostfritt stål, vilket påverkar elektro-kemisk prestanda i Mg-ionbatterier. För att förbättra vätbarheten och ytkontakten mellan EGaSn och rostfritt stål är det önskvärt att bilda CuGa2-lager på den nakna rostfria stålmesh-strukturen. De oåterkalleliga gränssnittsfenomenen som dendritväxt, Al-korrosion och ytsprickbildning på den fasta Al-negativa elektroden i Al-ionbatteriet kan också lösas genom användning av Ga-baserade LMs som negativa elektroder.

Ga-baserade LMs spelar en viktig roll i termisk hantering, en central aspekt för många energilagringssystem. Efektiv termisk hantering är avgörande för att hantera värmeutveckling under drift och säkerställa en stabil funktion av elektroniska system. Ga-baserade LMs uppvisar god termisk stabilitet och kan reglera temperaturen genom att absorbera och frigöra värme genom fasövergångar. Detta gör att Ga-baserade LMs är viktiga för värmespridningsteknologier som används i uppladdningsbara batterier. Jämfört med traditionella värmeledande material uppvisar Ga-baserade LMs, såsom EGaIn, överlägsen termisk ledningsförmåga (~20 W m−1 K−1). En stabilisering av Ga-baserade LMs i elektroniska system är dock nödvändig för pålitlig termisk hantering, då bildandet av Ga2Cu, en intermetallisk förening som kan bildas vid kontakt med Cu-strömsamlare, kan orsaka instabilitet och förlora termisk ledningsförmåga.

Hur man skapar smakrika infunderade syror och sötningar för matlagning och drycker
Hur påverkar komponentfel och underhåll hållbarheten i subsea-transmissionssystem?
Hur ord och fraser kan förbättra förståelsen av kulturer genom språk
Hur man tillreder en traditionell vietnamesisk karameliserad fisk i slow cooker