储能液态金属电池卤素熔盐电解质微观结构设计及构效关系基础研究

Liquid metal battery is a type of new, low cost and long life energy storage battery in grid-storage market. If liquid metal batteries applies in grid-storage market, lots of new sustainable energy such as solar energy and wind energy and salt lake resources in Qaidam Basin can both be utilized. Based on the problems of miscibility of liquid alkali and alkaline-earth metal in halide salts and suitable electrolyte for liquid metal battery, the project has proposals as follows: using the molecular dynamics simulation model validated before, the mechanism of solubility of negative electrode in its halide electrolyte and the phenomenon of cation effect will be explored; the relationship between microstructure such as ion coordination number, electron cloud density and the balance distance between ions and macrostructure such as density, melting point and ionic conductivity of electrolyte will be built; based on this relationship, the optimization composition of molten salt will be obtained; the best molten salt will be with properties of suitable density, low solubility of negative electrode, high ionic conductivity, low volatilization and low corrosion. After this project, the mechanism of solubility of negative electrode in halide and the relationship between micro and macro structure can be used to guide application of liquid metal battery. Those results can make deep utilization of salt lake resources and new energy in Qaidam Basin.

液态金属电池是可以应用在大规模电力并网中新型、低成本、长寿命的储能电池。液态金属电池的推广应用，可以充分利用柴达木地区丰富的盐湖资源以及太阳能、风能等新能源。本项目针对液态金属电池负极碱金属、碱土金属在其卤化物中溶解机理以及优质熔融盐体系配方展开研究：利用前期已经验证的分子动力学模型，探讨负极金属在其卤化物中的溶解机理，解析熔融盐中的同离子效应；建立熔盐阴阳离子配位数、电子云密度、离子间平衡距离等微观结构参数与密度、熔化温度、电导率等宏观性质之间的定量构效关系；利用熔盐构效关系指导熔盐配方优化，获得密度在正负极金属之间、低负极金属溶解性、低电阻率、低挥发性、低腐蚀性的优秀熔盐配方。本项目的完成，可以获得碱金属、碱土金属在其卤化物熔盐中的溶解机理，得到这些金属卤化物的微观结构和宏观性质的关系，获得最佳的熔盐配方，为液态电池的大规模应用提供技术指导，实现柴达木地区盐湖资源和新能源的综合利用。

大力发展太阳能、风电、潮汐能等新能源是解决目前化石能源枯竭和环境污染的有效手段。储能技术在新能源利用中的作用日益凸显，通过储能技术可以削峰填谷，解决新能源不能24小时不间断供电的问题。液态金属电池是大规模储能技术的重要发展方向，它具反应动力学快、欧姆损耗低、能量效率好和电压效率高等特性，但电池自放电现象一定程度上制约了该项技术的发展。电池的负极金属在其卤化物混合熔盐电解质中的溶解度过大是导致自放电现象的直接原因，因此本项目针对卤化物熔盐体系的微观结构和宏观物性、金属在卤化物熔盐中的溶解度及溶解机理展开研究。项目针对单一碱金属氯化物熔盐和多元混合碱金属氯化物熔盐体系，利用分子动力学模拟的方法，充分研究了碱金属氯化物单组分熔盐和多元混合熔盐的微观结构和宏观性质，包括自扩散系数、径向分布函数、配位数、密度、剪切粘度和离子电导率等，剖析了熔盐微观结构和宏观性质之间的构效关系，为液态金属电池的熔盐电解质体系的配比优化提供了理论指导。同时本项目还建立了一套行之有效的金属在熔盐中溶解度的取样测定和分析的实验装置与实验方法，测定了在不同温度下碱土金属镁在单一氯化物熔盐和多元氯化物混合熔盐中的溶解度，并分析了影响金属镁溶解度的因素和溶解机理，最终得到了可以降低电池自放电程度的优化混合熔盐电解质配方，并通过对电池的基本电化学性能测试和循环性能测试，验证了优化配方的有效性，实现了液态金属电池性能的提升。