基于电化学效应的常温液态金属柔性电池探究

随着可穿戴装备及可佩戴电子的普及，对柔性电池的需求日益增长，关于柔性电池的研发，已有多个科研小组和多家初创公司涉足，其中液态金属电池因其超高的能量密度而广受科研人员的注意。

液态金属电池的原型为全液态电解池，其原始概念可以追溯到20世纪20年代美国铝业公司（Aluminum Company of America）为电解制备高纯铝而发展起来的3层液态Hoopes电化学池，即液态铝和铜铝合金分别作为负极和正极，以熔融AlF3-NaF-BaF2为电解质的电解池。20世纪六七十年代，通用汽车公司（General Motors）和原子国际（Atomics International），特别是美国Argonne国家实验室，基于全液态电解池的基本概念，开展了约10年的全液态（热再生）高温电池的研究。传统的液态金属电池通常需要在高温下工作，因为组成这种电池的电极材料和电解质在常温下呈固态，需要在600℃以上的工作温度下使电池内各组分转化为液态从而保证电池的运行（图11.3）。笔者实验室为此作出了新的尝试［7］。

我们知道，镓基液态金属在常温下即呈现液体状态，而且镓原子外层有两个4s电子和一个4d电子作为活泼的易失去电子，可以作为液态的负极材料，制作常温下的液态金属电池，其正极反应为：2H2O+2e—→2 OH-+H2，负极反应为：Ga—→Ga3++3e-。利用3D打印技术（图11.4），笔者实验室Liu等［7］以透明柔性高分子为电池主体材料，将电池打印在3M柔性双面胶上，由此首次制备出了可贴于人体任何位置皮肤的常温液态金属柔性电池（图11.5）。通过组合，此类电池电压易达到10 V左右甚至更高，已足以取代LED这样的电路（图11.6）。

图11.3　液态金属电池工作原理［7］

a.放电过程；b.充电过程；c.放电过程离子输运；d.充电过程离子输运。

图11.4　利用3D打印制成的常温液态金属电池［7］(www.xing528.com)

a.复合打印过程；b、c.分别为89、54个单元电池，开路电压分别对应98.2 V、61.7 V；d—f.反应液态金属在不同材料（PLA、ABS、TPU）上的润湿性。

图11.5　利用3D打印制成的液态金属电池［7］

图11.6　常温液态金属电池电化学特性［7］

a.多单元电池情形，其中点线代表充电过程中电池内电子迁移；b、c分别为24单元串联电池和单一电池；d.24单元串联电池和单一电池放电曲线，其中负载电阻分别为98 Ω和2 000Ω；e.LED照明电路。