液态金属电池因其特殊的三层液态结构以及材料选择而具有长寿命、易放大、高安全等优势，在规模储能领域具有广阔的应用前景。现有的众多电池体系中，锂基电池具有优异的电化学性能，然而由于锂资源储量少，且消耗速率近年来飞速增长，价格也逐年攀升，规模化应用严重受限。钠作为与锂同主族的金属，两者化学性质相似，同时钠的丰度远高于锂，因此发展钠基体系是实现液态金属电池实用化的重要方向之一。但金属钠在熔盐中溶解度高，电池自放电严重，难以稳定循环。

针对上述问题，博士研究生周浩在国际知名期刊Energy Storage Materials发表了题为A sodium liquid metal battery based on the multi-cationic electrolyte for grid energy storage的文章。该文章提出一种多元混合阳离子熔盐电解质设计思路，并优选出组分LiCl-NaCl-KCl (59:5:36 mol%)，同时通过构建双活性Bi₉Sb合金正极，促进了放电过程中Na⁺在正极内部的迁移，实现容量利用率的提升，并探究了电池放电机制。基于电极和熔盐电解质的优化构建了10 Ah级的钠基液态金属电池，实现了电池的长效稳定运行。

要点一：LiCl-NaCl-KCl的设计与优化

根据阳离子的析出电位以及材料的环境友好性选择LiCl和KCl作为熔盐电解质的组分，设计了LiCl:NaCl:KCl = (59:5:36, 55:9:36, 49:15:36 mol%)三种组分，先后测试了LiCl-NaCl-KCl的DSC曲线，离子电导率以及金属钠在其中的溶解度。相较于文献所用的NaF-NaCl-NaI (15:32:53 mol%)，电池的熔点和钠的溶解度均显著降低，表明所设计的混合阳离子电解质可有效抑制金属钠的溶解。将三种熔盐用于电池测试的结果表明，电池的库伦效率得到显著提升，同时根据容量利用率，筛选出更优的组分LiCl-NaCl-KCl (59:5:36 mol%)。

要点二：双活性合金正极的构建

针对Na||Bi电池存在的容量利用率低的问题，向正极引入少量与其性质相似的Sb，构建了Bi₉Sb双活性正极，尝试通过放电过程Na与Bi、Sb反应的协同作用，促进容量释放。本文首先通过库伦滴定研究了Na||Bi电池与Na||Bi₉Sb电池的EMF曲线以及Na⁺在正极侧的扩散动力学。结果表明Sb的引入有效促进了Na⁺在电池放电中后期的传质，将两种电极用于电池测试，结果也表明Sb的加入能促进容量的释放。结合系列非原位表征分析，结果表明Na与Sb，Bi的反应存在先后顺序，且由于Sb的含量低，因此固态产物分散，使得Sb的反应程度更深，从而正极整体的利用率得到提升。

基于以上的电解质和电极的优化结果组装了10 Ah级电池，电池能够以97%左右的库伦效率稳定运行700多圈，容量利用率达到80%，自放电电流密度0.37 mA cm^-2，同时核算得到其储能成本仅0.027~0.029 $/kWh。

前瞻

钠基电池的稳定性相较于锂基液态金属电池仍存在较大差距，同时正极的利用率有待进一步提升。由于多阳离子电解质的使用，电池内部的物质相互作用亟待厘清，同时该体系中锂盐的用量仍旧较高，可进一步优化实现更低的成本。

发表时间：2022.9.24

文章链接

A sodium liquid metal battery based on the multi-cationic electrolyte for grid energy storage

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829722002823