Hur man bedömer prestanda hos flytande metallbatterier (LMB)

Prestanda hos flytande metallbatterier (LMB) bedöms genom att analysera flera parametrar som tillsammans avgör hur väl ett batteri fungerar i sin avsedda användning. Dessa parametrar ger insikt i batteriets effektivitet, livslängd, säkerhet och lämplighet för olika användningsområden. För att bättre förstå de faktorer som påverkar LMB:s prestanda är det viktigt att känna till de specifika egenskaper som definierar batteriets kapacitet, energi- och effektalstring samt driftstemperatur.

Kapacitet är en av de grundläggande måttenheter som används för att beskriva ett batteris förmåga att lagra och leverera elektrisk energi. Vanligtvis mäts kapaciteten i ampere-timmar (Ah) eller milliampere-timmar (mAh), och för LMB är det vanligt att kapaciteten uttrycks i Ah, då dessa batterier ofta används för storskaliga applikationer. Kapaciteten bestäms av mängden aktivt material, såsom katod- eller anodmaterial, och effektiviteten hos de kemiska reaktionerna som sker under urladdning och uppladdning.

Effektalstring beskriver hur snabbt batteriet kan leverera energi. Detta är särskilt viktigt för applikationer som kräver hög effekt under korta perioder. Effektalstringen mäts i watt-timmar per kubikcentimeter (Wh/cm³) eller per kilogram (Wh/kg), och ju högre effektalstring, desto bättre kan batteriet leverera energi snabbt när det behövs.

Coulombisk effektivitet (laddnings-/urladdningseffektivitet) är förhållandet mellan urladdningskapaciteten och laddningskapaciteten och uttrycks som en procentandel. En hög Coulombisk effektivitet indikerar minimala energiförluster under laddning och urladdning, vilket är avgörande för att maximera batteriets effektivitet och livslängd. För LMB är denna effektivitet vanligtvis lägre än för traditionella batterier, eftersom elektrodmaterialet upplöses mer omfattande i den flytande elektrolyten, vilket leder till större självurladdning.

Intern resistans beskriver motståndet mot flödet av laddningsbärare inom batteriet. Detta resulterar i spänningsfall och värmeutveckling. En lägre intern resistans är fördelaktig eftersom det resulterar i högre effektivitet, mindre värmeproduktion och bättre energileverans, särskilt under hög belastning. Dock är en ökning i intern resistans oundviklig på grund av materialnedbrytning och förändringar i strukturen efter upprepade cykler. Intern resistans mäts vanligtvis genom elektrokemisk impedansspektroskopi, och resultaten presenteras ofta i Nyquist-diagram.

Driftstemperatur påverkar hur väl batteriet kan fungera inom det temperaturintervall det utsätts för i sin applikation. Extremt höga eller låga temperaturer kan påverka batteriets kapacitet, urladdningshastighet och livslängd negativt. För LMB är den typiska driftstemperaturen vanligtvis över 240 °C, vilket innebär att batteriet måste kunna hantera höga temperaturer utan att försämras. Nyare forskning fokuserar på LMB som kan operera vid rumstemperatur, vilket skulle innebära stora fördelar för framtida energilagringslösningar.

Det är viktigt att förstå att det finns skillnad mellan driftstemperatur och regenereringstemperatur. Regenereringstemperaturen, vid vilken batteriet återhämtar sig efter en urladdning, är oftast högre än driftstemperaturen. Detta innebär att batteriets material och konstruktion måste tåla högre temperaturer för att återställas till fullt användbar skick.

För att illustrera dessa koncept, här är några exempel på vanliga metaller som används som elektroder i LMB, deras genomsnittliga driftstemperaturer och urladdningsspänningar:

• Li-Bi: Driftstemperatur 550°C, urladdningsspänning 0,6V, kapacitet 190 mAh/cm².

• Sn-Ga: Driftstemperatur 35°C, urladdningsspänning 0,7V, kapacitet 409 mAh/g.

• Bi-Pb: Driftstemperatur 410°C, urladdningsspänning 0,6V, kapacitet 140 mAh/g.

För att förbättra prestanda hos flytande metallbatterier är det avgörande att optimera materialen som används i elektroder och elektrolyter samt att ta hänsyn till de termiska och kemiska påfrestningar som batterierna utsätts för vid höga temperaturer. Genom att förstå och noggrant välja rätt kombination av material och design kan batterier utvecklas som inte bara erbjuder hög prestanda utan också lång livslängd och säkerhet.

Vad är utmaningarna med chalcogenbaserade flytande metaller i batteriteknik?

Flytande metallbatterier (LMBs), inklusive de som använder chalcogenbaserade material som tellurium (Te), erbjuder lovande alternativ för energilagring, särskilt för applikationer på nätverksnivå. Deras unika egenskaper, såsom höga smältpunkter, lämplig elektonegativitet, hög specifik volymkapacitet och överlägsen elektrisk ledningsförmåga, gör dem attraktiva för framtidens energilagringstekniker. Trots dessa fördelar finns det flera betydande utmaningar och begränsningar som måste åtgärdas för att dessa batterier ska kunna realiseras fullt ut.

En av de största utmaningarna för LMB-teknologier är den operativa temperaturen som krävs för att hålla metallerna i flytande form och för att bibehålla smältelektrolyten i flytande tillstånd. Batterier av denna typ fungerar vid förhöjda temperaturer, ofta över 300 °C, vilket medför komplexiteter i systemdesign och ökar energiförluster på grund av termiska hanteringsproblem. De höga driftstemperaturerna kan också leda till termiska stabilitetsproblem och korrosion av material som används i batteriets konstruktion, vilket ytterligare begränsar dess långsiktiga hållbarhet och effektivitet.

För att förbättra batteriernas elektrokemiska prestanda har olika studier genomförts. En studie av Yan et al. designade till exempel en positiv elektrod av en metalloid dubbelaktiv material genom att legering Te med antimon (Sb). Målet var att öka energidensiteten i traditionella LMB-materialsystem. Denna legeringsstrategi visade sig effektiv för att ge nya insikter i designen av multi-aktiva katoder för högpresterande LMBs. Den designade Li||Sb-Te batterisystemet visade sig ha utmärkt cyklingprestanda, hög urladdningsspänning (1,02 V) och en ultrahög energidensitet (459 Wh kg−1).

Trots de framsteg som görs, finns det fortfarande flera tekniska hinder att övervinna. Förutom de höga driftstemperaturerna är en annan stor begränsning LMB:arnas relativt låga spänningsutgång jämfört med konventionella litiumjonbatterier. Denna lägre spänning kan begränsa energidensiteten och den totala effektiviteten hos dessa batterier, vilket gör dem mindre konkurrensdugliga i applikationer som kräver högre spänningar. Dessutom utgör kompatibiliteten mellan de strukturella materialen och flytande metaller en utmaning, då flytande metaller ofta reagerar med många material och orsakar korrosion och nedbrytning över tid. Detta gör det nödvändigt att noggrant välja material som kan motstå denna korrosiva miljö samtidigt som de bibehåller strukturell integritet och prestanda.

För att möta dessa utmaningar krävs fortsatt forskning och utveckling av nya material och metoder för att förbättra batterikonstruktionen. Genom att använda flexibla tunna filmer och vidareutveckla tillverkningstekniker kan det vara möjligt att uppnå bättre prestanda. Ytterligare studier bör också fokusera på hur man kan skala upp produktionen av LMB-system från material till elektrodframställning och systemmontering för att säkerställa att teknologin kan tillämpas i praktiska, storskaliga energilagringssystem.

Vidare är det viktigt att förstå att för att denna teknologi ska kunna konkurrera med och överträffa nuvarande batterilösningar, krävs en integrerad utveckling av både elektroder och elektrolyter som är optimalt anpassade till de specifika egenskaperna hos flytande metaller och deras interaktion med andra komponenter i batterisystemet. Tekniken för flytande metallbatterier, trots dess lovande potential, kommer därför att kräva en balans mellan hög prestanda och långsiktig hållbarhet för att bli ett genomförbart alternativ för framtidens energilagring.