储能技术是消除可再生能源大规模开发利用瓶颈的关键技术,可改善电力供需矛盾,平抑电网峰谷差,提高电网安全性和稳定性。在众多储能技术中,电化学储能具有能量密度高、响应时间快、维护成本低、安装灵活方便等特点,成为电网储能技术的发展方向。然而,现有成熟的电化学储能技术难以全面满足大规模电网储能应用对储能成本和循环寿命的要求。液态金属电池具有无隔膜的三层自分层的新型电池结构设计,不仅有利于放大和规模化生产,而且不受传统电池中电极变形、枝晶生长等退化机制影响,原理上可实现电池的超长时间安全运行。同时,由于电极-电解质之间均为液-液界面,使得电池具有超快的电荷传输动力学。因此,液态金属电池以低成本、长寿命和优异的高倍率性能等优势,在大规模电网储能中具有广阔的应用前景。论文针对目前液态金属电池存在的能量密度低的问题,设计了锂基液态金属电池新型正极材料,并对其充放电性能和反应机理进行了研究。为降低电池工作温度,开发了与低温锂基电池电解质匹配的正负极材料,对其循环稳定性机理进行了研究,同时探索了低温锌基液态金属电池的充放电行为和机理,主要的研究结果如下:（1）设计并研究了高能量密度的新型Li‖Sb-Bi-Sn液态金属电池体系。三元合金正极中Sb、Bi组分决定了充放电电压平台,Sn元素对电压基本没有影响。Sn元素不仅降低了合金熔点,也提供了液态的快速锂扩散通道。由于Sb、Bi具有不同的锂化电位,使合金锂化过程呈现分步反应特性。充放电过程中,放电产物微观结构产生动态变化,产物层中出现的裂纹,提供了新的锂扩散通道。电极中快速的原子扩散、较小的欧姆电阻和电荷转移电阻,共同作用提高了电极的动力学性能,使得Li‖Sb-Bi-Sn电池表现出优良的倍率性能。三元组分低熔点合金的设计,降低了惰性组分Sn的含量,提高了 Sb、Bi活性组分的含量和利用率,使得Li‖Sb-Bi-Sn电池能量密度高达260 Wh kg-1,而电池的电极材料成本仅为59 $ kWh-1。（2）通过匹配低熔点LiCl-KCl熔盐电解质,设计了系列低熔点正极材料并研究了低温下Li基电池的充放电性能。设计的一系列Sb-Bi-Sn、Sb-Bi-Pb合金熔化温度低于400℃,合金中Sb、Bi组分决定了充放电电压平台,Sn或Pb元素降低了合金熔点,对电压基本没有影响。LiCl-KCl熔盐与金属Li之间的置换反应会导致钾含量的下降,添加金属K可起到抑制置换反应正向进行的作用,有助于维持熔盐成分的稳定。以LiCl-KCl熔盐为电解质、LiK为负极、低熔点合金作为正极的电池,可在400℃下稳定充放电循环。LiK‖Sb30Bi40Sn30电池放电能量密度可达241 Wh kg-1,材料成本为68.8$ kWh-1;LiK‖Sb30Bi40Pb30电池能量密度略有下降,为194 Wh kg-1,而材料成本为62.8$ kWh-1。以Pb替代Sn,电池的材料成本下降了 8.7%。（3）系统研究了以Zn、Sn或Zn5Sn5合金为负极,Bi为正极,LiCl-KCl-ZnCl2熔盐作为电解质的锌基液态金属电池,提出了一种基于多重置换反应的充放电新机理。锌基电池可以在375℃的较低温度下稳定地充放电。放电过程主要由Zn和Bi离子之间的置换反应主导,即放电过程负极中的Zn和正极附近的Bi离子分别发生氧化和还原反应,充电过程则相反。基于此置换反应机制,锌基电池的电压平台可达0.79～0.88 V。得益于具有优化组成的熔盐电解质,电池循环过程中平均库仑效率大于96%。
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