高性能铋-镉双活性正极液态金属电池：提升倍率性能与低温适应性的创新设计

针对液态金属电池(LMBs)放电过程中Li3Bi固相化合物导致锂离子传输受阻、极化增大等问题，中科院团队开发了Bi40Cd60双活性正极。该电极在500°C下实现800 mA cm?2高倍率（70%容量保持率），并在380°C低温体系中稳定循环300次，为电网级储能提供了兼具高功率密度与宽温域适应性的解决方案。

　　

随着全球能源结构向可再生能源转型，间歇性发电特性对电网稳定性提出严峻挑战。液态金属电池(Liquid Metal Batteries, LMBs)因其独特的三层液态结构——熔融金属负极、熔盐电解质和液态金属正极，展现出成本低、寿命长、安全性高等优势，成为大规模储能的理想候选。其中锂-铋(Li||Bi)体系虽具有3.04 V的高理论电压，但放电产物Li₃Bi在电极界面形成固态屏障，严重阻碍锂离子扩散，导致极化电压升高和倍率性能下降。更棘手的是，传统LMBs需在500°C以上工作，带来密封腐蚀、能耗增加等问题。如何突破"固相传输瓶颈"并实现低温运行，成为制约其商业化应用的关键难题。

针对这一挑战，中国科学院团队在《Journal of Energy Storage》发表研究，创新性地设计出Bi-Cd双活性正极体系。通过系统筛选合金元素（图1），发现Cd兼具低成本（0.56 $ mol^?1）、适中密度（8.65 g cm^?3）和低熔点（321°C）优势。研究人员采用熔盐电解法（LiF-LiCl-LiBr和LiCl-LiBr-KBr体系），构建了5 Ah级Li||Bi_xCd_100-x电池，结合电化学测试、X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）等手段，揭示了Cd的液态通道效应。

【Electrochemical performance of Bi-Cd electrodes】
恒流充放电测试显示，Bi₄₀Cd₆₀电极在500°C、100 mA cm^?2条件下实现95.09%正极利用率，能量效率达84.57%（图2a）。特别在800 mA cm^?2超高电流密度下，仍保持3.53 Ah放电容量（相当于初始值的70%），远超纯Bi电极的倍率性能（图2c）。电化学阻抗谱（EIS）证实Cd的引入使电荷转移电阻降低60%。

【Low-temperature operation mechanism】
当采用LiCl-LiBr-KBr低温电解质（T_m=310°C）时，Bi₄₀Cd₆₀电极在380°C实现4.31 Ah放电容量，300次循环后容量保持率97.49%（图4d）。显微结构分析发现，Cd在放电过程中形成连续液相网络，穿透Li₃Bi晶界（图3f），这种"液态高速公路"使锂离子扩散系数提升2个数量级。

该研究通过精准的合金设计，首次实现双活性元素（Bi+Cd）对电极动力学和相变行为的协同调控。相比前人采用的Ga（成本过高）或Pb（降低能量密度）等方案，Bi₄₀Cd₆₀电极在材料成本（降低82%）、工作温域（扩展至380°C）和功率密度（800 mA cm^?2）三个维度取得突破。作者Meixiu Zhao等提出的"固-液双相传导"机制，为发展新一代高功率、宽温域LMBs提供了普适性设计原则，其技术路线已应用于20 kWh级储能模块的工程验证。这项成果不仅推动液态金属电池向实用化迈进，也为多价态离子电池的电极设计提供了新范式。