Hur kan flytande metallbatterier förbättra energilagring och säkerhet?

Flytande metallbatterier (LMB) har framträtt som en lovande lösning för energilagring på stor skala. Deras förmåga att självåterhämta sig, höga effekt densitet, lång cykellivslängd och kostnadseffektivitet gör dem attraktiva kandidater för framtida energilagringsteknologier. Dessa batterier bygger på flytande elektroder, vilket förhindrar dendritutveckling, ett vanligt problem i fasta batterier. Dendriter, som kan orsaka kortslutningar i traditionella batterier, elimineras genom att elektroderna förblir flytande, vilket inte bara förbättrar prestandan utan också säkerheten.

En av de mest framstående fördelarna med LMB-teknologin är användningen av flytande metaller och legeringar som elektroder. Dessa material kan reducera smältpunkterna av specifika metaller, vilket gör det möjligt att använda en större variation av metaller som elektroder. Genom legering kan smältpunkterna för både positiva och negativa elektroder sänkas, vilket gör att batterierna kan fungera vid lägre temperaturer. Forskare har undersökt olika legeringar, såsom Na-baserade och Ca-baserade legeringar, för att skapa mer effektiva negativa elektroder.

Största delen av forskningen inom LMB-fältet har fokuserat på att optimera elektrolyter, elektroder och materialkombinationer för att förbättra batteriets effektivitet. En av de största utmaningarna har varit att hitta den rätta balansen mellan smältpunkter, jonledningsförmåga och materialstabilitet. För att uppnå denna balans har forskare tittat på både organiska och oorganiska elektrolyter. Till exempel har smält salts-elektrolyter använts för att förbättra batteriets effekt och effektivitet. Dessa elektrolyter har visat sig ha högre jonledningsförmåga, flamskydd och kostnadseffektivitet jämfört med organiska vätskeelektrolyter.

En annan intressant utveckling är användningen av tre-dimensionella kolramar med hög porositet och yta för att förbättra elektron- och jontransport i batteriet. Denna teknik, som introducerades av Yu et al., gör att flytande metallbatterier kan uppnå hög cyklabilitet utan att behöva komplicerade strukturella ramverk. Genom att använda ultraljudsbehandling för att sprida flytande metaller i nanopartiklar förhindras pulverisering och delaminering från substratet, vilket förbättrar batteriets stabilitet över tid.

När det gäller andra typer av batterier, såsom Zn-jon och Al-jonbatterier, har flytande metaller och legeringar av Ga visat sig spela en viktig roll i att lösa gränsproblematiken mellan elektroder och elektrolyter. En banbrytande utveckling inom detta område var skapandet av RT-LMB (rumstemperatur flytande metallbatterier) som använder både Na-K och Ga-baserade legeringar. Dessa batterier har en unik struktur där de tre skikten – negativ elektrod, elektrolyt och positiv elektrod – själv-segregeras på grund av deras oförenlighet och densitetsskillnader.

Trots alla fördelar och tekniska framsteg finns det fortfarande flera utmaningar. En av de största är våtbarheten hos flytande metaller på ytor av fasta elektrolyter, särskilt vid lägre temperaturer. Flytande metaller som Ga och Na-K är kända för att bilda sfäriska droppar, vilket gör att deras vätbarhet på elektrolytytor försämras och gör konstruktionen av elektroder mer komplicerad. För att lösa dessa problem krävs innovativa ingenjörslösningar, inklusive användning av bindemedel som kan förbättra interfacial vidhäftning.

Korrosion är en annan betydande utmaning för flytande metallbatterier, särskilt i högtemperaturapplikationer. Flytande metaller som reagerar med syre och fukt vid höga temperaturer riskerar att leda till nedbrytning av batteriets komponenter, vilket kan äventyra säkerheten och livslängden på batteriet. För att motverka detta måste effektiva tätmaterial väljas beroende på driftstemperaturen. Vid temperaturer under 200 °C kan polymerer vara ett alternativ, men över denna temperaturgräns bryts dessa ner. Därför måste forskare noggrant välja material som är stabila under de specifika driftförhållandena.

Framtida forskningsriktningar bör fokusera på att förbättra både elektrolytens och elektrodens effektivitet, undersöka alternativa bindemedel för att öka vidhäftningen och utveckla nya materialkombinationer som kan minska korrosion och förhindra nedbrytning av batteriets strukturella komponenter. Dessutom behövs en omfattande utvärderingsram för att ta hänsyn till pris, systemkomplexitet, säkerhet, livslängd, effektivitet och energidensitet för att göra LMBs kommersiellt gångbara.

Hur kan Na-K legeringar förbättra prestandan hos batterier?

Na-K legeringar erbjuder ett intressant alternativ för utvecklingen av avancerade batteriteknologier, särskilt när det gäller att lösa problem som uppstår med traditionella fasta anoder, såsom dendritbildning. En av de största fördelarna med Na-K legeringar är deras flytande natur vid rumstemperatur, vilket gör att de kan anpassa sig och ge en stabil elektrisk kontakt genom hela laddningscykeln. När Na-K legeringar placeras på en separator, tenderar de att bilda droppar, vilket gör det svårt att använda dem direkt som elektroder i konventionella batteridesign. Däremot, när de absorberas i ett poröst substrat, kan Na-K legeringarna bilda en stabil elektrod i form av ett tunt skikt.

Det mest anmärkningsvärda med denna design är dess förmåga att förhindra dendritbildning genom en självläkande mekanism. GIC-nätverken och den flytande Na-K legeringen underlättar både elektron- och masstransport effektivt. Detta ledde till en enastående cyklisk stabilitet hos NaK-G-C-elektroden, som bibehöll konsekvent prestanda i mer än 5000 timmar vid en strömstyrka på 20 mA/cm². Vid högre strömtätheter (50–80 mA/cm²) och höga kapaciteter (16–20 mAh/cm²) visade denna elektrod sig överträffa andra alkaliska metallanoder, vilket gör den till ett lovande alternativ för framtida batteriteknologier.

Andra typer av ställningar, såsom metallskum, kolbaserade textilier eller grafen, har också använts för att kapsla in flytande Na-K legeringar och bredda deras användbarhet i olika batteridesign. Dessa ställningar är viktiga eftersom de möjliggör stabila, dendritfria metallegiprodukter som kan användas för att utveckla batterier med längre livslängd och högre säkerhet.

För att förstå den fulla potentialen hos Na-K legeringar i batteritillämpningar, är det också viktigt att beakta den betydelse som elektrolyterna har för deras prestanda. Elektrolyterna spelar en avgörande roll för batteriets funktion, särskilt när man arbetar med material som Na-K legeringar. En väl utformad Na+/K+ K-, Mg- och Ca-baserad elektrolyt kan möjliggöra strippning och påläggning av båda metallerna, vilket öppnar dörren för en mer mångsidig batteridesign.

Det är också värt att notera att Na-K legeringarna inte bara är användbara i sig själva utan kan också användas för att förbättra andra batterikomponenter. Exempelvis kan de användas för att förbättra ytvistabiliteten hos Na-metallanoder genom beläggningstekniker som gör det möjligt för batteriet att fungera med högre stabilitet och mindre risk för kortslutning.

Endtext

Vad är potentialen för rumstemperaturssmälta metaller i batterier?

Rumstemperaturssmälta metallbatterier (RT-LMBs) är en lovande teknik för energilagring som har potentialen att konkurrera med traditionella batterier såsom litiumjonbatterier (LIB). Eftersom dessa batterier kan arbeta vid temperaturer mellan 0 och 40 °C öppnar de upp för användning i ett brett spektrum av tillämpningar, från stationär energilagring till mobila applikationer. En av de största fördelarna med RT-LMBs är att de potentiellt kan använda sig av solid-state batteriteknologier samt de elektrolytlösningar som är vanliga i LIB.

En av de mest undersökta lösningarna för RT-LMBs är användningen av lågsmältande metaller och legeringar, såsom natrium-kalium (Na-K) legeringar, som behåller sin flytande form vid temperaturer ända ner till -12,6 °C. Denna typ av legering har visat sig vara mycket lovande för att lösa det problem som uppstår med dendrittillväxt i traditionella batterier, där metallstrukturer växer och kortsluter batteriet. En särskild egenskap hos Na-K-legeringen är att den har låg reduktionspotential, vilket gör den till en stark kandidat för anoder i RT-LMBs.

Förutom Na-K-legeringen finns det andra lovande metallsystem för RT-LMBs, som gallium (Ga)-baserade legeringar. Gallium, som har en smältpunkt på 29,8 °C, har visat goda elektrokemiska egenskaper och kan användas i batterier som fungerar vid något högre temperaturer. Gallium har också visat självläkande egenskaper vid de-lithiering, vilket gör det särskilt intressant som anodematerial. Galliumlegeringar, som Ga-In, har dessutom visat sig vara användbara för att adressera gränssnittproblem i icke-lithiumbaserade batterier som zink- och aluminiumjonbatterier.

En av de större utmaningarna för galliumbaserade RT-LMBs är att förbättra deras stabilitet och cyklingsprestanda vid rumstemperatur. Tidiga experiment har visat att gallium tenderar att bli fast vid lithiering, vilket gör att batteriets cyklingskapacitet minskar. För att lösa detta problem har forskare bland annat använt 3D-kolramar och nanopartiklar för att stabilisera galliumbaserade anoder och förhindra strukturell nedbrytning.

Förutom de tekniska utmaningarna med elektrod- och elektrolytkompatibilitet, finns det flera andra faktorer som måste tas i beaktande vid utvecklingen av RT-LMBs. Bland dessa är vikten av att optimera gränssnittsdesignen, särskilt när det gäller gallium och Na-K-baserade system. Effektiv gränssnittsteknik är avgörande för att förbättra batteriets prestanda och livslängd. Dessutom återstår frågor kring försegling och korrosion, särskilt vid höga temperaturer. Material som glas och keramik kan vara lämpliga för att täta batterier vid högre temperaturer, men deras termiska expansion och kemiska stabilitet vid höga temperaturer kan skapa problem.

Vidare forskning inom detta område bör fokusera på att ytterligare förstå de elektrokemiska processerna i flytande metaller, förbättra hållbarheten och stabiliteten hos de material som används, samt att utveckla mer effektiva elektrolyt- och elektrodmaterial. Att optimera alla dessa komponenter kommer vara avgörande för att göra RT-LMBs konkurrenskraftiga på marknaden för storskalig energilagring.

Hur flytande metaller förbättrar prestanda i flexibla batterier och enheter

Inom området för flexibla batterier baserade på flytande metaller, konstruerade Liu et al. för första gången ett mjukt och töjbart batteri med EGaIn som anod. Batteriet hade en katod av kolpasta belagd med MnO2-slam, en katod-elektrolyt bestående av KOH/PAAm-hydrogel och en anod-elektrolyt av LiOH/KOH/PAAm-hydrogel, förpackat i Ecoflex. Elektrolyten är alkalisk, vilket gör att gallium uppvisar mer elektrokemisk aktivitet än indium. En del av galliumet i EGaIn-legeringen deltar i urladdningsreaktionen, där Ga reagerar med hydroxidjoner (OH-) och bildar GaO₃³⁻.

Studien visade att det flexibla EGaIn-MnO₂-batteriet uppvisar utmärkt elektrokemisk stabilitet under olika mekaniska belastningar, inklusive sträckning och böjning. Det observerades att när sträckningen ökade, ökade också urladdningsspänningen, särskilt vid högre strömtätheter. Detta resulterade i en minskning av spänningsskillnaden mellan laddning och urladdning från 0,51 V till 0,13 V när sträckningen ökade från 0 % till 100 %. Batteriets impedans var låg, med inre resistans (Ri nt) som ökade från 8,4 till 51,3 Ω och resistans vid elektrodgräns (Rct) som minskade från 85,6 till 18,5 Ω när sträckningen ökade. Dessutom bibehöll batteriet en stabil urladdning under både töjning och böjning, vilket visar att dess elektrokemiska prestanda förblev nästan oförändrad även under extrema mekaniska påfrestningar.

I en senare studie från 2024 utvecklade Naman Shi et al. en självhelande flexibel anod baserad på flytande metall (GaInSn) för litiumjonbatterier. Deras forskning utnyttjar flexibiliteten hos kolfiberduk och flytande metals flödande egenskaper för att skapa anoder bestående av flytande metallnanopartiklar, kolnanorör och kolfiberduk. Denna konstruktion förhindrar agglomeration av flytande metallnanopartiklar och gör det möjligt att bibehålla god elektrochemisk prestanda genom självhelande mekanismer. När litiumjoner (Li⁺) införs under urladdning, spricker nanopartiklarna, men dessa frakturer repareras automatiskt under uppladdningsprocessen när Li⁺ extraheras.

Viktigt att notera är att överdriven mängd flytande metall i elastomeren leder till en nedgång i prestanda, vilket beror på att en överbelastning av flytande metaller kan påverka materialets triboelektriska egenskaper negativt. En optimal porositet på cirka 28 % är också fördelaktig för att bevara materialets funktioner.