石榴石相结构固态电解质显著降低液态金属锂电池工作温度

美国斯坦福大学的YiCui教授领导的研究团队设计开发了一种基于石榴石相结构固态电解质的液态锂金属电池，可在240℃左右温度稳定运行，同时展现出优异的电化学性能。

以熔融锂金属作为负极的液态金属电池具有极高的电容量，长久以来在工业领域有较广的应用。但由于锂金属熔点较高，电池工作温度一般在450℃以上，导致运营成本居高不下;此外，熔融盐中锂的溶解会导致自放电和较低的库伦效(<98%)。

针对上述问题，美国斯坦福大学的YiCui教授领导的研究团队设计开发了一种基于石榴石相结构固态电解质的液态锂金属电池，可在240℃左右温度稳定运行，同时展现出优异的电化学性能。研究人员采用熔融锂金属为负极，熔融锡铅合金(Sn-Pb)或铋铅(Bi-Pb)合金为正极，选用石榴石相结构的锂镧锆钽氧化物Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12(LLZTO)陶瓷管作为全固态电解质，组装了两种结构的液体锂金属电池系统：Li||LLZTO||Sn-Pb和Li||LLZTO||Bi-Pb，其中熔融锂金属负极在LLZTO陶瓷管内部，合金正极在外部。管状陶瓷电解质一方面将熔融锂金属负极包裹在内，起到锂离子传导作用，同时可以作为隔层将锂金属负极与合金正极隔开。在240℃、50mAcm-2和100mAcm-2电流密度下，Li||LLZTO||Sn-Pb和Li||LLZTO||Bi-Pb两种电池均可以稳定循环约一个月，且几乎没有容量衰减，平均库仑效率为99.98%，这是迄今为止已报道的工作温度最低的液体金属锂电池。并且，该电池还具有高功率特性，Li||LLZTO||Sn-Pb电池在电流密度高达300mAcm-2时，功率密度为90mWcm-2;Li||LLZTO||Sn-Pb电池在电流密度高达500mAcm-2时，功率密度为175mWcm-2。而就成本而言，全固态电解质LLZTO成本仅为0.037美元/克，Li||LLZTO||Sn-Pb和Li||LLZTO||Bi-Pb全电池成本依次为160美元/千瓦时和80美元/千瓦时，较为低廉。这种中低温、高安全性、低成本电池将在电网等大规模储能领域展现出广阔的应用前景。

该项研究巧妙设计了管状的石榴石型LLZTO全固态电解质，在此基础上制备了液态锂金属电池，在保持电池高性能和稳定性前提下，使电池的工作温度下探到了创纪录的240℃低温，为设计和开发高效低温的液态金属电池开辟了新路径。相关研究成果发表在《NatureEnergy》。