發布時間：2023年1月16日
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近年來，為了深入貫徹落實“四個革命、一個合作”能源安全新戰略，實現“碳達峰”“碳中和”戰略目標，國家加快推動新型儲能高質量規�；l展并構建新型電力系統。2022年發布的《“十四五”新型儲能發展實施方案》中，液態金屬電池被列入“十四五”新型儲能核心技術裝備攻關重點方向。液態金屬電池是一種電極和電解質全液態運行的新型電池，以液態金屬和熔鹽分別作為電極和電解質，具有儲能成本低、容量易放大、長循環壽命、高功率密度和高安全性的優勢，在儲能領域具有廣闊的應用前景。
西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室材料創新設計中心（CAID）寧曉輝教授團隊自2013年起，一直致力于研究液態金屬電池儲能應用的關鍵技術：2015年首次提出具有自愈合特性的Li || Bi液態金屬電池（J. Power Sources275 (2015) 370–376）；2018年繼續報道了雙活性金屬的Li || Sb-Bi液態金屬電池（J. Power Sources381 (2018) 38–45）；2022年進一步報道了具有高能量密度和高倍率性能的Li || Sb-Bi-Te液態金屬電池（Energy Stor. Mater.53 (2022) 927–936）。寧曉輝教授團隊通過長期的研究發現，多元合金化電極是提升液態金屬電池性能的有效方法之一，但如何設計更多組元（四元及以上）的高比能電極面臨許多問題，仍然需要進一步探索和研究。
針對上述問題，團隊全面總結和收集了現有鋰基液態金屬電池的各項數據，提出一種基于實驗驗證的循環設計方法，通過機器學習加速設計具有綜合優異性能的新型四元合金電極。在每一次循環中，團隊不斷擴充并逐漸開發了一個高質量的液態金屬電池數據集，其中設計了41種不同特征作為有效的輸入參數，從而顯著提高了模型的預測能力，并選擇適當的機器學習算法來準確預測熔點、放電電壓、放電能量和能量密度，實際的預測誤差僅為0.17%-7.38%。最終設計的Li||Sb-Bi-Sn-Pb液態金屬電池具有低熔點（<500℃）、高庫侖效率（~99%）、高能量效率（~87%）和高能量密度（~280 Wh /kg），是一種極具吸引力的儲能候選技術。該方法超越了傳統電極設計的局限性，表現出巨大的潛力，同時也為多元合金化電極的設計提供了新的思路。
圖1（a）展示了整個電極設計的工作流程，它由兩個主要部分組成：循環設計和條件約束。將建立好的兩個初始的數據集輸入至循環設計中，輸出所有潛在的電極材料，隨后通過條件約束，人為地篩選出具有高比能的新型液態金屬電池電極材料。因此，使用循環設計來探索潛在的電極對于最終獲得新型電極材料是至關重要的。循環設計的思路和組成在圖1（b）中顯示，包括一個主循環和一個次循環，主循環的作用是驗證實驗值與預測值的匹配度，同時將每一次快速驗證得到的實驗數據擴充至原始數據集中，而次循環則是考慮到實驗驗證失敗的可能性，需要重新調整預測模型及算法策略。這種基于實驗驗證的循環設計方法，不僅可以有效地通過實驗結果對預測模型進行糾正，從而避免模型過擬合或數據泄露等問題，還可以擴充原始數據，為模型預測提供充足的訓練數據來達到更佳的預測效果。
圖2 Li||Sb20Bi60Sn10Pb10電池在（a）100 mA cm-2電流密度下的循環性能曲線和（b）不同倍率下的充放電曲線；Li||Sb50Bi30Sn10Pb10電池在（c）100 mA cm-2電流密度下的循環性能曲線和（d）不同倍率下的充放電曲線
最終篩選出的Li||Sb20Bi60Sn10Pb10和Li||Sb50Bi30Sn10Pb10液態金屬電池具有綜合優異的性能，并通過0.5 Ah級別液態金屬電池進行測試驗證，如圖2所示。Li||Sb20Bi60Sn10Pb10電池在500℃運行溫度下以100 mA cm-2穩定運行150循環，平均放電容量為0.47 Ah，庫倫效率為99%，能量效率為87%，放電能量可達0.28Wh，即使在大電流密度下（1000 mA cm-2），其能量效率也接近60%，具有優異的電化學性能。而Li||Sb50Bi30Sn10Pb10電池則具有最高的能量密度（~280 Wh/kg）和最低的成本（~70 $/kWh），其庫倫效率為98%，且在大電流密度下（1000 mA cm-2），其容量保持率依舊高達90%。
該成果以《機器學習加速設計液態金屬電池電極材料》（Accelerated design of electrodes for liquid metal battery by machine learning）為題發表于《儲能材料》（Energy Storage Materials, IF=20.831）。西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室材料創新中心（CAID）為論文的唯一通訊單位，寧曉輝教授為論文的通訊作者，碩士生周涵為論文的第一作者。此研究得到國家自然科學基金委（51874228）、國家重點研發計劃（2018YFB0905600）及王寬誠教育基金的資助支持。
來源：西安交大新聞網 2023.1.12