Vad gör en Liquid Metal Battery unik och effektiv för energilagring?

Liquid Metal Batteries (LMBs) fungerar genom att joner rör sig genom en smält salts elektrolyt och reduceras vid katoden. Samtidigt genereras en elektrisk ström när elektroner rör sig via en extern krets. När batteriet laddas, vänds processen, och metaljoner återvänder till anoden när legeringen bryts ned. För att bibehålla optimal funktion håller LMB:er alla komponenter i flytande form och arbetar vid temperaturer över 300°C. Den nödvändiga termiska energin upprätthålls vanligtvis under cykling genom exoterma processer. Genom att förenkla designen och öka effektiviteten hos batteriet, minskar immiscibiliteten hos lagren risken för korskontaminering. Deras naturliga själv-segregering garanterar konstant och pålitlig funktion utan behov av separatorer.

En annan kritisk faktor för LMB:ers funktionalitet är elektrokemiska principer. Batteriets öppna spänningspotential (OCV) bestäms av den kemiska potentialdifferensen mellan anodens och katodens material. Den smälta salts elektrolyten möjliggör låg resistans för jontransport tack vare sin starka jonledningsförmåga. Elektrodens flytande tillstånd förbättrar reaktionskinetiken, vilket sänker överpotentialerna och gör att LMB:er kan prestera effektivt. Vidare är stabilitet och korrosionsbeständighet två av de mest viktiga aspekterna vid design och drift. Materialen för batteriets anod och katod bör ha låg löslighet i elektrolyten för att undvika blandning, medan materialet för batteriets behållare bör vara korrosionsbeständigt för att säkerställa stabilitet och lång livslängd.

En annan viktig fördel är LMB:ers långlivade och cykliska förmåga. Eftersom de flytande elektroderna inte utsätts för mekanisk stress, är de mer motståndskraftiga mot nedbrytning över tid och ger en längre cykel livslängd. Experimentella resultat har visat att batteriernas prestanda förblir stabil även efter tusentals cykler med nästan inget kapacitetsförlust. Dessutom, på grund av deras enkla design, tillgång till billiga material och utmärkta skalbarhet, är LMB:er kostnadseffektiva. Deras skalbarhet gör dem lämpliga för energilagring i storskaliga nätverk, där deras enkelhet tillåter att de byggs i olika storlekar för att möta specifika behov.

LMB:ers termiska hantering är också en inneboende fördel. Beroende på det operativa temperaturintervallet kan värmeproduktionen under cykling ofta hålla materialet i smält tillstånd utan extern uppvärmning. Detta minskar beroendet av sällsynta och dyra komponenter och gör att LMB:er är ett hållbart alternativ ur miljösynpunkt. Eftersom de använder jordbundna metaller och kan återvinnas effektivt, erbjuder de en miljövänlig lösning för energilagring. Deras potential för att stödja hållbara energilagringssystem gör dem till en lovande teknik för framtidens energibehov.

För att optimera LMB:ers funktionalitet och effektivitet måste forskare fortsätta att undersöka de bästa materialkombinationerna, och även sätt att minska temperaturberoendet för att minska driftkostnader och förbättra systemets långsiktiga stabilitet.

Hur Sb-baserade LMB kan bli en kostnadseffektiv konkurrent till LIB

Litium, den lättaste metallen med den lägsta oxidationspotentialen (−3,04 V mot SHE), används i stor utsträckning som negativ elektrod (anod) i många elektrokemiska lagringssystem på grund av sin höga specifika och volymetriska energitäthet, höga spänningskapabilitet och lämpliga transportegenskaper. Litium-antimon (Li-Sb) systemet undersöktes först som en potentiell högenergi LMB tack vare dess höga öppna krets-spänning (OCV) på 0,92 V. Problemet som uppstod med detta system var det höga smältpunkten, vilket innebar att ett batteri med en ren flytande Sb-elektrod behövde köras vid temperaturer högre än 630 °C. Detta ökade både materialkostnaderna och ledde till korrosionsproblem. För att minska dessa nackdelar undersöktes metoder för att hålla Sb-baserade elektroder i flytande tillstånd vid lägre temperaturer.

Studierna visade att Li║Sb-Pb-cellen bibehöll 93 % av sin teoretiska kapacitet vid en nominell urladdningsspänning på 0,73 V efter 450 cykler. Cyklingseffektiviteten var mycket bra, med en coulombisk effektivitet på 98 % och en energieffektivitet vid rundresa på 73 %. Kapacitetsnedgången efter 100 cykler var minimal, och mellan 100:e och 450:e cykeln var nedgången endast 0,004 % per cykel. Detta bevisade att Li║Sb-Pb-celler hade utmärkt prestanda även vid höga strömtätheter och bibehöll en kapacitet på över 50 % av den teoretiska kapaciteten vid en strömtäthet på 1000 mA cm−2.

För att vidareutveckla detta system till storskalig användning, byggde Wang och hans team en cell med en teoretisk kapacitet på 62 Ah, och visade att den fortfarande hade nästan ingen kapacitetsförlust efter 20 cykler vid en driftstemperatur på 500 °C. Denna forskning visade att utan att minska cellens spänning, kan driftstemperaturen och smältpunkten för den positiva elektroden reduceras genom att kombinera Sb med Pb. För framtida forskning är det dock viktigt att förstå de mekanismer som gör att Sb och Pb kan bilda en legering utan att sänka cellens spänning.

Senare, 2016, utvecklade Li och hans team en miljövänlig Li||Sb-Sn LMB med förbättrade termodynamiska egenskaper, där Sb-Sn legeringen gav en OCV över 0,9 V. Systemet visade enastående kapabiliteter vid olika strömtätheter, och cellerna hade en kapacitetsbehållning på 96,7 % efter 430 cykler vid en strömtäthet på 300 mA cm−2. Detta system skilde sig från det tidigare genom användningen av tenn (Sn) som ett inert lösningsmedel, vilket inte bara sänkte smältpunkten, utan också ökade utnyttjandet av Sb-elektroden och minskade materialkostnaderna.

Vid användning av Li||Sb-Sn-systemet, upptäcktes att Sb-Sn katoden utsattes för allvarlig korrosion med vanliga strömkollektorer som Mo, Ti och rostfritt stål. Forskning visade dock att volfram (W) var en stabil katodströmkollektor och erbjöd ett skyddande täckmaterial som förhindrade korrosionen och förbättrade cyklingsstabiliteten. För att ytterligare förbättra stabiliteten av W-beläggningen, användes plasma-sprutning för att skapa en tät, lågoxidationsbeläggning av W, vilket effektivt minskade korrosionen av katoden vid högre temperaturer.

Därför visar forskningen att Sb-baserade LMBs inte bara har potential för att leverera hög prestanda vid högre temperaturer, utan också erbjuder möjlighet till kostnadsreducering och förbättrad termisk robusthet genom att använda legeringar med bly eller tenn. Vid storskalig tillämpning kan dock miljöeffekterna av dessa metaller, särskilt bly, bli en viktig aspekt att överväga. Forskning som fokuserar på att förstå mekanismerna för metallernas samverkan och förbättra långsiktig hållbarhet genom nya legeringstekniker och skyddande material är av största vikt för att säkerställa den kommersiella framgången för Sb-baserade LMBs.

Hur kan nya material förbättra effektiviteten i flytande metallsbatterier?

Flytande metallsbatterier (LMB) utgör en lovande och innovativ lösning för energilagring, särskilt för stationära energilagringssystem som kan dra nytta av förnybara energikällor som sol, vind och geotermisk energi. Dessa batterier erbjuder ett flertal fördelar, såsom hög effektdensitet, lång livslängd, låg kostnad, självhelande egenskaper och möjlighet till storskalig produktion. De senaste åren har forskningen på LMB:er gjort stora framsteg, särskilt inom områden som batterikemi och modellering av fysiska processer i högtemperatur flytande metallsbatterier (HT-LMB). Denna utveckling är avgörande för att optimera batteriernas prestanda och göra dem mer tillgängliga för kommersiella tillämpningar.

En nyckelfaktor för att förbättra LMB:ers prestanda är den kemiska sammansättningen av elektroder och elektrolyter. För att kunna ta tillvara på de fördelar som flytande system erbjuder, behöver elektroderna och elektrolyterna optimeras för att ge bästa möjliga elektriska ledningsförmåga och långsiktig stabilitet. Här kommer nya material in i bilden. Tillägget av ioniska vätskor (ILs) som elektrolyter är ett exempel på en innovativ strategi. Dessa vätskor är inte bara brandfarliga och mer thermiskt stabila än organiska lösningsmedel, utan de har också högre ionledningsförmåga, vilket gör dem särskilt attraktiva för elektrokemiska energilagringssystem.

En annan lovande kandidat är djupa eutektiska lösningar (DES), som bildas genom att kombinera en vätebindningsacceptor och en vätebindningsdonator. Dessa blandningar har lägre fryspunkter än de individuella komponenterna och erbjuder goda fysikaliska och kemiska egenskaper. Trots detta har DES:s användning som elektrolyter i energilagringssystem hittills varit begränsad på grund av vissa praktiska problem, såsom deras komplexitet i hantering och användbarhet i storskaliga system.

Förutom elektrolyter är utvecklingen av elektroder av avgörande betydelse. Flytande metallsbatterier kan använda elektroder av magnesium, kalcium och antimon – ämnen som har visat sig ha mycket lovande egenskaper i tester. Dessa material erbjuder hög kapacitet, god termisk stabilitet och ett brett driftsområde. Att förstå de fysikaliska och kemiska egenskaperna hos dessa metaller och deras legeringar är avgörande för att förbättra batteriernas effektivitet och livslängd.

För att ytterligare förbättra LMB:ers prestanda är det nödvändigt att undersöka fyra huvudområden: elektrolyternas kemi, design av elektroder och elektrolyters mikrostruktur, optimering av makrostrukturella parametrar och definiering av de rätta gränsvillkoren under laddning och urladdning. Det är här den avancerade modelleringen kommer in, vilket gör det möjligt att exakt förutsäga batteriers prestanda och optimera deras konstruktion. Forskare har utvecklat multiphysikmodeller som tar hänsyn till de kemiska och fysiska parametrarna för att förutsäga batteriets beteende under olika förhållanden.

I praktiken kan man förvänta sig att flytande metallsbatterier kommer att spela en nyckelroll för att möta de globala utmaningarna inom energilagring och hållbar energi. Den fortsatta forskningen på dessa system och deras material kommer att vara avgörande för att realisera full potential. För att lyckas krävs en noggrann balans mellan materialval, batterikemi och design, samtidigt som säkerhet, kostnadseffektivitet och prestanda hela tiden måste beaktas.

För att verkligen förstå LMB:ers framtida betydelse, är det viktigt att också reflektera över deras långsiktiga hållbarhet och deras inverkan på samhället. Effektiva energilagringslösningar är en grundläggande byggsten för övergången till förnybar energi. Flytande metallsbatterier har potentialen att minska kostnaderna för energilagring och göra det möjligt att lagra energi i större skala än vad som tidigare varit möjligt med konventionella batteriteknologier. Detta gör dem till en lovande lösning för framtidens energilagring, särskilt för integrering av intermittenta energikällor som sol- och vindkraft i elnätet.