Vad är nyckelfaktorerna för att förstå och förbättra prestandan hos flytande metallsbatterier (LMB)?

Flytande metallsbatterier (LMB) fungerar genom en process där metalljoner från anoden rör sig genom elektrolyten till katoden, vilket resulterar i bildandet av en legering vid katoden. Under laddning reduceras en av komponenterna i legeringen, och metalljonen rör sig tillbaka till anoden. Denna process kan beskrivas enligt följande:

Under urladdning:
Anod: A—ze⁻ → Az⁺;
Katod: B + Az⁺ + ze⁻ → AB.
Under laddning:
Anod: Az⁺ + ze⁻ → A;
Katod: AB → B + Az⁺ + ze⁻.

För att kunna skapa ett optimalt batteri är det avgörande att förstå batteriets design, fluidmekanism och funktioner för LMB, samt valet av material och deras prestanda. I denna del av kapitlet kommer vi att diskutera batteriets konfiguration och vätskemekanism inom cellerna. Vidare kommer vi att ge en detaljerad genomgång av materialen som används i LMB, inklusive anodematerial, katodematerial, elektrolyter och andra komponenter, samt hur dessa faktorer påverkar batteriets prestanda och livslängd. Slutligen kommer vi även att undersöka de parametrar som används för att utvärdera batteriets totala effektivitet.

Den grundläggande designen för ett flytande metallsbatteri kan härledas från de tidiga idéerna som Hoopes och hans kollegor patenterade 1925, när de skapade en elektrokemisk cell för att rena aluminium till ultrahög renhet. Denna cell kan ses som en föregångare till LMBs. Hoopes-cellen är designad med tre olika lager som har olika densiteter och funktioner. Det nedersta lagret är ett orenat aluminium, som fungerar som anod, medan det övre lagret består av rent aluminium som fungerar som katod. Det mellersta lagret är elektrolyten, som vanligtvis består av en smält blandning av kryolit (Na₃AlF₆) med tillsatser som BaF₂. Cellen stabiliseras av en kylvägg för att hindra konvektiva strömmar som kan orsakas av temperaturfluktuationer.

I senare utveckling, som 1958, introducerade Yeager et al. en ny typ av batteri, känt som ett termiskt regenererande batteri. Denna typ av energilagringssystem är särskilt intressant för användning där spillvärme är riklig, som i industriella processer eller solenergi-anläggningar. Här drivs elektroderna genom termisk energi snarare än elektricitet. Processen innebär att värme appliceras för att reversera den elektrokemiska reaktionen och återställa batteriet till sitt ursprungliga tillstånd.

En annan metod för att förhindra att elektroderna kommer i kontakt med varandra är användningen av en "pastaelektrolyt", där elektrolyten blandas med keramiska pulver. Denna metod minskar elektrolytens rörlighet även vid höga temperaturer, vilket hindrar katod och anod från att komma i kontakt med varandra. Dock leder denna lösning till en försämring av elektrolytsystemets ledningsförmåga, eftersom keramiska material isolerar, vilket kan påverka batteriets prestanda.

Viktigt att förstå för läsaren är att även om flytande metallsbatterier erbjuder stora fördelar i form av energitäthet och effektivitet vid höga temperaturer, finns det tekniska utmaningar som måste lösas. Bland dessa är förbättringen av elektrolytens ledningsförmåga, hantering av materialens långsiktiga stabilitet och effektivisering av termiska processer för att göra dessa system praktiskt användbara för kommersiella och industriella tillämpningar. Det är också väsentligt att förstå att forskning och utveckling på detta område ständigt pågår för att skapa batterier som inte bara är mer effektiva utan också mer kostnadseffektiva och hållbara på lång sikt.

Hur fungerar och varför är flytande metallbatterier ett lovande alternativ för energilagring?

Flytande metallbatterier skiljer sig från traditionella batterier genom att de använder flytande metaller som elektroder istället för fasta material. Denna design gör att de kan undvika vissa problem som är vanliga för fast-fas batterier, såsom dendrittillväxt och mikroskopisk deformation, vilket kan minska batteriets livslängd och säkerhet. Dessutom erbjuder flytande elektroder snabbare elektrokinetik och högre effektivitet vid de flytande-gränssnitt, vilket resulterar i bättre prestanda vid laddning och urladdning.

En viktig egenskap hos LMB:er är deras uppbyggnad, som består av tre lager: en anod (vanligtvis en lätt smält metall som Na, Mg eller Li), en elektrolyt som ofta är en blandning av salter (som klorider eller fluorider) och en katod bestående av en tyngre metall som bly, vismut eller antimon. De olika densiteterna och olösligheten mellan dessa lager gör att varje lager förblir stabilt under drift, och detta system förhindrar att de blandas. Under urladdning oxiderar anodmetallen och frigör joner samt elektroner, vilket gör det möjligt att lagra och frisätta energi.

En av de stora fördelarna med LMB:er är deras förmåga att fungera vid högre temperaturer och deras potentiella användning i storskaliga applikationer som kan ge billigare och mer effektiv energilagring. Men det finns också vissa hinder, bland annat den svåra uppgiften att förbättra elektrolytens stabilitet och att förhindra att flytande metaller reagerar oönskat med elektrolyten. För att förbättra den elektro-kemiska reversibiliteten i rumstemperatur flytande metallbatterier (RT-LMB), är det nödvändigt att fortsätta utveckla batterikemisk teknik och optimera batteriets design genom att förstå de komplexa fysikaliska processerna som sker inom batteriet.

För att uppnå den fulla potentialen hos LMB:er är det avgörande att utveckla avancerade modeller som integrerar elektro-kemi och termofysik för att optimera batteriets design och prestanda på lång sikt. Dessa modeller skulle kunna hjälpa till att förstå och förbättra alla de fysiska processer som spelar en roll i batteriets funktion, såsom elektriska potentialfördelningar, värmeöverföring och masstransport.

LMB:ers flexibilitet och förmåga att lagra energi effektivt gör dem till en lovande kandidat för framtida energilagringssystem, särskilt för användning på nätverksnivå. Deras förmåga att lagra stora mängder energi gör dem intressanta för användning i stora energilagringssystem som kan stabilisera elnätet och tillhandahålla energi under perioder då sol- eller vindkraft inte är tillräcklig. Trots de tekniska hinder som fortfarande måste övervinnas för att göra LMB:er kommersiellt gångbara på bred front, är forskningen på området ett tecken på de stora möjligheterna som finns i flytande metallbatterier.

Hur övergångsmetallbaserade flytande metallbatterier kan förändra framtidens energilagring

Flera Na-metallbatterisystem, inklusive Na-CO2, Na-O2 och Na-S, har på senare tid fått stort intresse. Nyligen upptäcktes att bytet av Na-metall mot K kan vara relativt fascinerande, med tanke på den stora mängden och den låga smältpunkten för K. Trots att forskningen på detta område fortfarande är i sin linda, användes en K-BASE-elektrolyt i K-baserade HTLMBs, som visade lovande resultat när det gäller att lösa både Na+ utbytet i Na-BASE och den stora K-lösligheten i den smälta elektrolyten. Trots att galliumbaserade LMB:er är bland de mest lovande, är deras vidare användning begränsad av de oförutsägbara volymvariationerna och fasövergångarna som sker under elektrokemiska reaktioner.

Enligt Ning et al. undersöktes de elektrokemiska egenskaperna hos en Ca-Pb legering som användes i en Ca-LiCl-NaCl-CaCl2-Pb-cell. Ca-Pb-elektroden visade exceptionella egenskaper med en urladdningsspänning på 0,6 V, en självurladdningsström på mindre än 2 mA cm−2 vid 600°C och en hög coulombisk effektivitet på över 98,84%. Emellertid innehöll Ca-Pb-elektroden en betydande mängd dispergerad intermetallisk CaPb3 vid slutet av legeringsprocessen, vilket kan leda till ett plötsligt fall i elektrodpotentialen. Trots detta fortsätter den inneboende starka reaktiviteten som involverar LM i elektrolyter att påverka negativt på realiseringen av LMB:er med tillfredsställande elektrokemisk reversibilitet. Dessutom har cykling vid höga cellspänningar tillsammans med tillräcklig Ed i packade LMB:er ännu inte uppnåtts.

Zinkmetall är ett material som är billigt och naturligt förekommande i stor mängd. Nyligen har Zn-baserade LMB:er rapporterats, som använder solid Zn eller flytande Zn-Sn legering som negativ elektrod, Sn, Pb eller Bi som positiv elektrod och ZnCl2-KCl eutektisk smältelektrolyt, som kan fungera vid låga till medelhöga temperaturer. Dessa LMB:er kan ha färre korrosiva effekter, högre säkerhet och lägre kostnader än traditionella LMB:er. Dock är prestanda vid laddning och urladdning samt coulombisk effektivitet för dessa Zn-baserade LMB:er otillfredsställande och kräver ytterligare klarhet.

För att verkligen förstå potentialen för övergångsmetallbaserade flytande metallbatterier måste läsaren också beakta de komplexiteter som följer med deras långsiktiga drift och hållbarhet. Speciellt i frågor som hög temperaturpåverkan, elektrolytoptimering och interaktioner mellan olika metaller och elektrolyter. Dessutom är det viktigt att förstå den potentiella inverkan av dessa batteriers utveckling på framtida energilagringstekniker och deras konkurrensförmåga mot nuvarande batterityper, särskilt litium-baserade. Fortsatta framsteg inom detta område kan erbjuda nya lösningar för energiutmaningar, men de kommer också att kräva noggrant övervägande av ekonomiska och miljömässiga faktorer.

Vad är framtiden för flytande metaller i energilagringssystem?

Flytande metalbatterier, som uppfanns av professor Donald R. Sadoway, använder flytande elektroder av metaller separerade av ett smält elektrolyt, vilket gör att batteriet kan utnyttja de unika egenskaperna hos metaller i flytande form. Detta designkoncept skiljer sig markant från de fasta elektroder som används i vanliga litiumjonbatterier. Eftersom elektrolyten är smält, separeras elektroderna i tre lager baserat på deras densitet och immiskabilitet. Denna konstruktion eliminerar behovet av fysiska separatorer mellan elektroderna, vilket gör batteriet enklare och potentiellt mer kostnadseffektivt. Denna teknik har nyligen blivit en het forskningspunkt på grund av dess förmåga att lagra stora mängder energi med hög densitet och samtidigt erbjuda lång livslängd och säkerhet, vilket gör den särskilt användbar för storskaliga energilagringssystem (ESS).

Flytande metalbatterier kan förse oss med mycket högre energitäthet än dagens litiumjonbatterier, vilket gör dem attraktiva för användning i elektriska fordon (EV) och för storskaliga energilagringstillämpningar. Den största fördelen med flytande metaller är deras förmåga att lagra och frigöra energi vid mycket högre kapaciteter än de batterier som för närvarande är standard i både konsumentelektronik och elbilar. Detta är möjligt eftersom den elektrokemiska potentialen för flytande metaller som natrium, kalcium eller magnesium är mycket mer fördelaktig för energilagring.

Det finns flera typer av flytande metalbatterier som studeras, beroende på de metaller som används i elektroderna och de elektrolyter som är involverade. Natrium-baserade flytande metalbatterier är särskilt intressanta eftersom natrium är mer rikligt och billigare än litium, vilket gör att denna teknik kan bli ett mycket kostnadseffektivt alternativ för energilagring i stor skala. Andra flytande metalbatterier kan använda kalcium eller till och med en blandning av natrium och kalium, vilket ger ytterligare flexibilitet i systemets design och funktionalitet.

För att batterierna ska bli mer praktiska och kostnadseffektiva i stora tillämpningar, måste flera tekniska problem övervinnas. Ett av de största hindren är att förstå och kontrollera interaktionerna mellan elektrolyten och elektroderna i smält form. Dessa interaktioner är mycket mer komplexa än i fasta batterier, och små förändringar i temperaturen eller kemisk sammansättning kan leda till stora förändringar i batteriets prestanda. Dessutom måste stabiliteten och livslängden för de flytande metallerna i batteriet förbättras för att säkerställa långvarig funktion utan nedbrytning eller förluster i kapacitet.

Förutom de tekniska utmaningarna finns det också viktiga miljömässiga och säkerhetsmässiga aspekter att ta hänsyn till. Medan flytande metalbatterier potentiellt kan vara mer miljövänliga än litiumjonbatterier, som kräver metaller som är både dyra och sällsynta, måste vi säkerställa att de metaller som används i LMB:erna är tillräckligt tillgängliga och inte skapar ytterligare miljöproblem. Vidare måste batterierna vara säkra att hantera, särskilt i storskaliga installationer, för att undvika risker som kan uppstå vid läckage av smält metall.

En annan aspekt att tänka på är hur vi kan integrera flytande metalbatterier i det befintliga energilandskapet. För att denna teknik ska kunna konkurrera med andra energilagringstekniker på marknaden, som pumplagring eller andra former av elektrostatisk lagring, behöver vi också utveckla effektiva och skalbara produktionsmetoder. För närvarande är de flesta flytande metalbatterier fortfarande i ett forsknings- och utvecklingsstadium, vilket innebär att mycket arbete återstår innan teknologin kan användas kommersiellt.

Det är också viktigt att förstå att flytande metalbatterier inte är en universell lösning för alla energilagringsbehov. Medan de erbjuder stora fördelar för storskaliga energilagringstillämpningar, som att lagra energi från förnybara källor, kan andra batteriteknologier vara mer lämpliga för applikationer där mindre, portabla system krävs. I dessa fall kan litiumjonbatterier fortfarande vara det bästa alternativet, trots deras säkerhetsproblem och höga kostnader.

Framöver kommer det att vara avgörande att forska mer om de specifika materialen som används i LMB:er och deras långsiktiga stabilitet. Det finns också ett behov av att utveckla nya elektrodmaterial och elektrolyter som kan förbättra prestanda och minska kostnaderna för flytande metalbatterier. Ett viktigt forskningsområde kommer att vara att förstå den kemiska och mekaniska stabiliteten hos elektroder och elektrolyter över lång tid och vid varierande temperaturer.