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液态金属电池革新：Nature Commun.刊发固态锑电极策略，钙电池能量密度提升318%

网友: 技术文档 2025-07-26 20:44:33

前言

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当太阳能和风能成为电网主力，一个关键问题始终悬而未决：如何低成本、高可靠地储存这些间歇性能源？近日，发表在《Nature Communications》（DOI: 10.1038/s41467-025-62080-7）的一项研究给出了新答案——由美国宾夕法尼亚州立大学和Ambri公司联合团队开发的钙-锑（Ca||Sb(s)）液态金属电池，用固态锑颗粒替代传统液态正极，实现了容量、成本和寿命的三重突破，为电网脱碳提供了极具潜力的储能方案。

三大颠覆性创新

1. 固态正极自愈术  

固态锑电极在循环中自发破碎为微米颗粒，形成多孔导电网络（图1c），反应界面激增，突破固态扩散瓶颈。  

2. 负极液态合金黑科技  

钙-锂在负极共沉积形成液态Ca-Li合金（含41%锂），彻底消除枝晶风险（图4a），过电位<10mV，效率98%。  

3. 神秘三元化合物赋能  

 深度放电时意外生成LiCaSb三元合金，使容量飙至理论极限（738 mAh/g），电压保持0.87V高位（图2c）。

挑战与前景

尽管实验室数据亮眼，规模化仍需攻克：  

电解液减量：当前LiCl占比高，需开发低成本混合电解质  

密封设计：大型原型电池的封装与寿命验证  

系统集成：与光伏/风电的实时调控匹配 

Ambri公司已启动中试研发。正如通讯作者Hojong Kim指出：“这项技术为构建去碳化电网提供了新基石，但产业化道路仍需产学研深度协作。” 

 未来启示：  

 当全球储能产业困于“锂资源焦虑”时，此项研究证明：地壳富集的钙（4.1%）与锑（0.2%） 通过巧妙的电化学设计，可释放出媲美锂电的性能。或许，摆脱稀缺元素依赖，才是储能真正的“终极答案”。

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图1：固态电极的「自愈式破碎」奇迹

固态锑电极的破碎现象与高容量机制

图1：固态锑的破碎及其引发的高容量效应

(a) 块状锑电极在520°C的CaCl₂-LiCl电解质中恒流放电（25mA）至不同容量（160,320,480,660,731mAhg⁻¹）的电位曲线。

(b) 对应(a)中各放电状态的锑电极横截面光学图像，以及160mAh g⁻¹和660mAhg⁻¹下的电子显微镜图像：显示锑电极破碎并形成Ca-Sb化合物（基于EDS点分析）。

(c) 经历~1100次充放电循环（主要在C/5倍率，0.6-1.3V区间）后，完全充电态脱盐锑正极的SEM图像：呈现由微米级颗粒组成的多孔网络结构。

(d) 颗粒状锑的平衡电位（方形符号）通过库仑滴定测定，与本研究液态CaCl₂-LiCl电解质（红线）及前人固态CaF₂电解质¹⁶（蓝线）的二元Ca-Sb合金电动势对比。

(e) 液态CaCl₂-LiCl电解质中二元Ca-Sb合金（54-65at%Ca）的电动势测量。所有结果在两组相同三电极体系中复现成功。

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图2：神秘三元合金打破容量封印

锑颗粒电极的电化学性能与表征。

a 在520°C下，使用共晶CaCl₂-LiCl电解质，于三电极电解池中，装载于不锈钢（SS）支架内的锑颗粒电极在不同充放电倍率（25–500mA，电极面积A=0.50cm²）下的电位曲线，并与图1d测定的平衡电位（Eeq）进行比较。

b 锑电极在不同倍率下的比充/放电容量、库伦效率和能量效率随循环次数的变化关系。这些测量重复进行了三次，结果相似。

c 锑电极在恒定C/6倍率下进行10次充放电循环后，达到各自放电状态时的扫描电子显微镜（SEM）图像、能谱分析（EDS）结果和X射线衍射（XRD）图谱。

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图3：全电池实测碾压锂电数据

钙|氯化钙-氯化锂|固态锑(Ca|CaCl₂-LiCl|Sb(s)) 电池的演示与性能。

a 钙||固态锑(Ca||Sb(s)) 电池示意图，以及钙负极（0.70g）和锑正极（0.70g）初始构型的实物照片和元素X射线分布成像图。

b 在520°C下，使用电解液（120g），以C/2倍率（250mA）运行100次充放电循环的代表性电池电压曲线。

c 比充/放电容量、库伦效率和能量效率随循环次数的变化关系。这些结果在另一套相同结构的电池组装上得到了复现。

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图4：液态合金负极破解百年枝晶难题

液态钙合金负极的非原位表征与动力学研究。

a 光学图像显示，在100次充放电循环后（图3），将盐层通过浸泡在二甲亚砜（DMSO）中去除（左图）并进行横截面切割（右图）的完全充电负极上未形成枝晶。

b 负极的X射线衍射（XRD）图谱，表明存在一种被鉴定为Li₂Ca相的钙锂合金。

c 负极的扫描电子显微镜（SEM）图像和钙元素能谱（EDS）分布图，表明发生了亚共晶反应（21）。

d 在三电极电解池中，液态钙合金在不同电流倍率（15–150mA）下充放电循环期间的过电位。测量结果仅采用单套三电极电解池装置获得。

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图5：9个月暴力测试上演「逆生长

钙|氯化钙-氯化锂|固态锑 (Ca|CaCl₂-LiCl|Sb(s)) 电池的长周期循环性能。

展示了在约9个月时间内，进行4000次0.6至1.2V之间的充放电循环（标称倍率C/1.3 (4A，~200mAcm⁻²)）的电池放电容量、库伦效率和循环能量效率。 

黑色方块符号表示的数据点，是在完全放电状态下额外施加0.6V恒压浮充0.5小时后测得的放电容量；该操作使得后续循环的容量稳定提升。 

该电池使用7.0g锑作为正极，3.3g钙作为负极，602g电解液，并在520°C下运行。 

测量结果仅采用单组电池获得，该电池在常压大气环境下密封运行。

【注】小编水平有限，若有误，请联系修改；若侵权，请联系删除！

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