MIT發明新型金屬隔膜 破解液態金屬電池短板

說起液態金屬電池，從事新能源領域的小夥伴應該有所耳聞，液態金屬電池是一類新型儲能電池，具有液態金屬電極，具有低成本、長壽命、高電流密度、高能量效率等特點，在太陽能和風能發電等具有分散式儲能電站的領域廣泛應用。

目前，已經商業化的液態金屬電池主要為Na-S電池，其需要使用Na離子選擇性隔膜β-Al2O3，眾所周知β-Al2O3並不是Al2O3的穩定相，因此薄膜極其容易產生裂紋，從而導致電極材料之間發生嚴重的副反應，三菱公司在2011年就曾經就爆出使用的NaS電池因隔膜破裂發生起火事件。雖然此後，很多研究都致力於三層結構的新型液態金屬電池，但是性能仍然難以與NaS電池媲美。

近日，美國MIT的一個研究團隊宣布研發成果了一種金屬網薄膜，相比β-Al2O3離子選擇性薄膜，具有低成本、長壽命等優點，有效填補了NaS等液態金屬電池的短板。相關研究成果發表在近期的Nano Energy期刊上。("Faradaically selective membrane for liquid metal displacement batteries")

新型金屬隔膜在液態金屬電池中的反應機理

該研究由MIT的Donald Sadoway教授領導的研究團隊開展，他們所使用的電池電極材料主要基於1968年最初提出的液態納電極，這種電極具有很好的性能，唯一的缺點就是需要具有離子選擇性的隔膜來分離熔融的電極材料，目前唯一已知具有這種特性的是β-Al2O3薄膜，其易碎的性能使得納基液態金屬電池無法大規模工業應用。

儘管一些公司還在繼續生產特殊用途的液態鈉電池，但是「由於陶瓷膜的脆弱性，其成本居高不下，」MIT材料化學教授Sadoway表示：「至今還沒有團隊讓這個技術真正實用化。」包括此前花了近10年時間研究這項技術後又放棄的GE。

該團隊意識到液態金屬電池中的離子選擇性隔膜也可以使用更加堅固和靈活的金屬網來實現，從而更加安全、穩定。「我認為這是一個突破。「Sadoway教授表示，這種金屬薄膜可以使得液態金屬電池50多年來終於得以實用。

據該論文顯示，這種金屬薄膜製備十分簡單，研究人員首先預先燒結製備多孔的TiN薄膜，隨後通過氣相沉積將TiN沉積到孔徑為2020μm的不鏽鋼網上。

當Sadoway教授和他的團隊在探索各種熔融金屬電池的可行組分時，使用鉛化合物進行一項測試受到了關注。Sadoway教授表示他們打開了電池發現了熔融的鉛液滴。這些鉛化合物並沒有像薄膜一樣表現出惰性，而是像電極一樣參與了電化學反應。

他說：「這真的讓我們看到了完全不同的技術。」這種膜目前已經發揮了作用——選擇性地允許特定分子通過而阻擋其他分子——但是以一種完全不同的方式，是利用其電特性而不是基於材料中孔的尺寸進行選擇性通過。

在對各種化合物進行實驗之後，研究小組發現，塗有氮化鈦溶液的普通鋼絲網就可以完成以前使用的陶瓷膜的所有功能，卻沒有陶瓷膜的脆性和易碎性。這種低成本金屬隔膜將彌補液態金屬電池的最後一塊短板，從而真正實現大規模應用。

此外，這種新型金屬隔膜可以應用在各種熔融電極的場合，為新型電池的設計開闢了新的途徑，而無需糾結在隔膜材料上，例如可以考慮設計鈉硫、氯化鈉/鎳液態金屬電池等此前已經被放棄的電極材料上。更進一步，這種金屬隔膜可能也可以在冶金領域獲得應用。

來源：David L. Chandler, MIT

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