自组装固态锑电极实现高容量、低成本钙-锑液态金属电池

为应对电网脱碳对低成本、长寿命储能技术的迫切需求，研究人员开发了基于固态锑(Sb)电极的钙(Ca)基液态金属电池(LMB)。该电池通过Sb电极循环中的自组装多孔网络结构和液态Ca-Li合金负极，实现了715 mAh g-1 Sb的高容量和19.1$ kWh-1的低电极成本，在520℃下完成4000次循环无容量衰减，能量效率达79-84%，为可再生能源并网提供了创新解决方案。

　　

随着全球能源结构向可再生能源转型，电网规模储能技术面临成本与性能的双重挑战。传统液态金属电池(LMB)虽具有长寿命优势，但受限于液态正极材料的高熔点和低容量，难以兼顾经济性与高能量密度。以锑(Sb)为例，其液态形式需700℃高温运行且理论容量仅136 mAh g^-1 Sb，而固态应用又面临扩散动力学缓慢的瓶颈。

针对这一难题，美国宾夕法尼亚州立大学（The Pennsylvania State University）的研究团队在《Nature Communications》发表突破性成果。他们创新性地采用固态Sb颗粒替代传统液态正极，构建了Ca||Sb(s)电池系统。该设计通过电极循环过程中的自发结构重组和合金化反应，同时解决了容量限制与枝晶生长两大核心问题。

研究主要采用三项关键技术：1）通过熔盐电解池进行Sb电极的恒电流滴定和开路电位测试；2）利用扫描电镜(SEM)结合X射线衍射(XRD)追踪电极相变过程；3）采用工业级CaCl₂-LiCl(35-65 mol%)共晶电解质实现520℃低温运行。研究团队还建立了包含4000次循环的长期测试平台，验证实际应用可靠性。

高容量固态Sb电极的发现

研究发现初始块状Sb在放电过程中会碎裂为微米级颗粒，形成多孔导电网络。这种自组装结构使电极比容量达738 mAh g^-1 Sb，远超液态Sb电极的136 mAh g^-1 Sb。通过原位XRD证实，容量提升源于CaSb₂→Ca₁₁Sb₁₀→LiCaSb的渐进式合金化反应，其中LiCaSb三元化合物的形成使电极在深度放电时仍保持0.87V高电位。

电化学性能优化

在C/20-C/2倍率下，电池可实现659 mAh g^-1 Sb的稳定输出，库伦效率>99.4%。特别值得注意的是，在模拟日循环的C/8-C/10条件下，能量效率达79-84%。阻抗谱分析显示电极电阻在循环中保持稳定，证实了自组装结构的电子传导持续性。

液态Ca-Li合金负极的协同效应

研究首次发现负极会原位形成含41 at% Li的Ca-Li液态合金，熔点低于操作温度。该合金不仅消除Ca枝晶生长风险，还表现出<10 mV的超低过电位。ICP-AES分析显示，Li的共沉积使负极材料腐蚀速率降低80%，解决了钙基电池的传统难题。

长期循环验证

在9个月、4000次全充放循环测试中，电池容量无衰减，库伦效率>99%。意外的是，深度放电后的电压浮动处理反而使后续容量提升，印证了电极结构的动态优化机制。成本分析表明，该技术电极材料成本仅19.1$ kWh^-1，较主流Li||Sb-Pb电池降低71%。

这项研究通过巧妙的电极设计，突破了液态金属电池领域三十年来的容量-成本权衡困境。固态Sb电极的自组装特性与液态合金负极的协同作用，为开发下一代电网储能系统提供了新范式。尽管电解质优化和工程放大仍需突破，该技术已展现出替代锂离子电池用于8-12小时储能的潜力，有望加速全球能源系统的脱碳进程。