液态金属阳极实现超高面容量与超长放电时间的锌基液流电池

推荐：为解决锌基液流电池（Zn-FBs）因固-液转换导致的枝晶生长、可逆性差和面容量低等问题，研究人员创新性地采用液态金属（LM）电极，将Zn沉积/溶解反应转化为LM内的合金化/去合金化过程。该研究实现了640 mAh cm?2的超高面容量和约16小时的超长放电时间，突破了美国能源部（DOE）对长时储能（LDES）的定义标准，为锌基液流电池的大规模应用提供了新思路。

　　

论文解读

随着全球能源结构向可再生能源转型，间歇性的太阳能和风能发电亟需安全、高效的大规模储能技术。锌基液流电池（Zn-FBs）因其高能量密度、低成本和环境友好性被视为下一代储能候选技术，但其传统固-液转换的锌阳极面临枝晶生长、可逆性差和面容量低等瓶颈，导致放电时间通常不足2小时，远未达到美国能源部（DOE）定义的长时储能（LDES）标准（>10小时）。

为突破这一限制，中国科学院的研究团队在《SCIENCE ADVANCES》发表了一项创新研究，提出将液态金属（LM）作为锌阳极载体，将传统的Zn²⁺/Zn固-液反应转化为LM内的液态合金化/去合金化过程。通过理论计算与实验验证，团队发现镓铟锡共晶合金（EGaInSn）能高效溶解锌形成EGaInSnZn液态合金，其低迁移能垒（0.53 eV）和自修复特性显著抑制了枝晶形成。基于此设计的Zn-I₂和Zn-Br₂液流电池实现了640 mAh cm^?2的面容量（当前领域最高值）和约16小时的超长放电时间，循环寿命超过180天（4400小时），能量效率（EE）达85.4%。

关键技术方法
研究结合密度泛函理论（DFT）和分子动力学（AIMD）模拟计算锌原子在LM表面的吸附与扩散能垒；通过X射线光电子能谱（XPS）、飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）和扫描电镜（SEM）表征LM合金的化学状态与形貌；采用恒电流充放电测试评估电池性能；利用差示扫描量热法（DSC）测定LM-Zn合金的相变温度。

研究结果

1. LM阳极在Zn-FBs中的特性
   通过热力学分析证实EGaInSn在25°C下可溶解2.94 wt%的锌，形成液态EGaInSnZn合金。电池设计中，LM作为电极和集流体双重角色，通过动态液-液界面实现Zn²⁺的均匀沉积，消除传统多孔碳毡（CF）电极的空间限制。

2. Zn在LM中的沉积与溶解机制
   DFT显示Zn在LM表面的吸附能（-1.35 eV）显著低于金属锌基底（-0.48 eV），且扩散能垒降低60%，促进无枝晶沉积。XPS和TOF-SIMS证实Zn以合金态存在，SEM显示循环后LM仍保持液态均一性。

3. Zn-FBs的电化学性能
   Zn-I₂电池在40 mA cm^?2下实现640 mAh cm^?2面容量，库仑效率（CE）达95.7%；Zn-Br₂电池循环4400小时后容量衰减率仅0.0015%/天。对比传统CF电极，LM电池的极化电压降低80 mV，自放电率减少40%。

结论与意义
该研究首次将锌阳极的工作模式从固-液转换转变为液-液转换，解决了锌基电池在高面容量下的枝晶和腐蚀难题。其突破性在于：

1. 技术革新：LM的流动性和锌亲和性使电池面容量提升16倍，远超DOE的LDES标准；
2. 成本优势：LCOS（储能平准化成本）分析显示，放电14小时以上时成本低于全钒液流电池（VFBs）；
3. 普适性：策略可扩展至其他金属-液流电池体系，如锌-溴（ZBFB）和锌-碘（ZIFB）系统。

这项研究为长时储能提供了可规模化应用的解决方案，并推动了液态金属在电化学领域的跨界创新。