CN105659415A

CN105659415A - 自愈液/固态电池

Info

Publication number: CN105659415A
Application number: CN201480057857.5A
Authority: CN
Inventors: 保罗·J·布尔克; 布赖斯·H·V·琼; 萨蒂亚吉特·R·帕德克; 宁晓辉; 唐纳德·R·萨多未
Original assignee: Whole Marketing Service Co; Massachusetts Institute of Technology
Current assignee: Total New Energy Co Activities In United States; TotalEnergies SE; Massachusetts Institute of Technology
Priority date: 2013-10-29
Filing date: 2014-10-29
Publication date: 2016-06-08
Also published as: WO2015063588A3; US9905888B2; AU2014343351A1; AU2014343351B2; WO2015063588A2; US20160156068A1; JP2016535392A; KR20160077063A; EP3063812A2

Abstract

本发明提供一种与外部装置交换能量的电池体系。所述电池体系包含具有第一金属或合金的正极，具有第二金属或合金的负极，和包含所述第二金属或合金的盐的电解质。在至少一部分操作期间在操作温度下所述正极、所述负极和所述电解质为液相。在一种充电状态下所述正极完全为液相而在另一种充电状态下所述正极包含固相。所述正极的所述固相包含由第一金属或合金和第二金属或合金形成的固体金属间化合物。本发明也提供使用这种电池体系从外部电路储存电能的方法。

Description

自愈液/固态电池

相关申请的交叉引用

本专利申请要求在2013年10月29日提交的美国临时专利申请号61/896,777的利益，其公开内容以其整体通过参考并入本文。

关于联邦赞助的研究或开发的声明

本发明是在由美国能源部授予的批准号DE-AR0000047的政府支持下做出的。政府在本发明中具有某些权利。

技术领域

本发明涉及高容量电能储存。特别地，提供在液相和固相两者中操作的新电化学能量储存装置和电池。

背景技术

跨越时空平衡电能的供给和需求是在从商业生产者到消费者的大量应用中长期存在的问题。该供给-需求不匹配引起降低供给的可靠性的系统压力，使消费者不便并且导致收益的损失。因为美国的大部分发电依赖化石燃料的燃烧，因此电能的管理不佳也造成污染物和温室气体的过度排放。可再生能源如风能和太阳能也可能与需求不同步，因为其仅间歇地活跃。这种不匹配限制了其部署的规模。通过减轻常规和可再生能源二者的供给-需求不匹配，大规模能量储存可以被用于支持商用电能管理。

基于电化学的技术为在不间断供能环境中的能量储存提供可行的解决方案。许多类型的电化学电池已经被用于大规模能量储存。因为在两个金属电极处快速的离子迁移和快速、可逆的动力学，这些电池提供高效的储存能力。能量被储存在主要由一种金属构成的负极，所述金属在本文中称为活性金属或阳极金属，其具有高化学电位。在放电状态下，活性金属以合金的形式在低化学电位下存在于正极中。在充放电期间置于两个电极之间的电解质能够实现活性金属的离子传输。例如，这些电池的说明书可以在美国专利号8,323,816、美国专利号US-2011-0014505-A1和美国专利号US-2012-0104990-A1中找到，其全部内容通过参考并入本文。

因为在导致机械降解的充放电循环期间的体积变化，在本领域中已知具有固相电极的电池通常表现出有限的循环寿命。相反，通过本质上克服机械降解，使用液相电极的电池可以引起延长的寿命。然而，液相区域必须时常被约束在小的组成区域，这反过来限制了电极的利用并且增加了成本。

发明内容

在本发明的实施方式中，我们描述在液相和固相二者下操作的金属电极电池。

在本发明的实施方式中，提供一种被构造为与外部装置交换能量的电池体系。所述电池体系包括包含第一金属或合金(两种或更多种金属的组合)的正极，包含第二金属或合金的负极，和由包含第二金属的盐的盐的混合物构成的电解质。所述电解质在各电极/电解质界面处接触正极和负极，并且在至少一部分操作期间在操作温度下正极、负极和电解质为液相。所述正极在一种充电状态下完全为液相，而在另一种充电状态下包含固相。正极的固相包含由第一和第二金属或合金形成的固体金属间化合物。

在本发明的另一个实施方式中，提供一种从外部电路储存电能的方法。该方法包括提供一种电池体系，其具有包含第一金属或合金的正极、包含第二金属或合金的负极、和包含第二金属的盐的电解质。电解质在各电极/电解质界面接触负极和正极。在至少一部分操作期间在电池体系的操作温度下，正极、负极和电解质为液相。正极在一种充电状态下完全为液相而在另一种充电状态下包含固相，并且正极的固相包含由第一和第二金属形成的固体金属间化合物。该方法进一步包含将所述电池体系电连接至所述外部电路以及操作所述外部电路从而驱动所述第二金属从所述正极向所述负极转移。

在相关的实施方式中，第一金属可以包含铋。第二金属可以包含碱金属，如锂。当第一金属包含铋并且第二金属包含锂时，固体金属间化合物可以为Li₃Bi。操作温度可以在约300℃～约800℃之间，优选操作温度为约350℃～约600℃。开路电压可以为至少约0.5V。负极在一种充电状态下可以完全为液相并且在另一种充电状态下可以包含固相，并且负极的固相包含由第一和第二金属形成的固体金属间化合物。所述固相使电池容量增加约至少10％。

附图说明

通过参照以下参照附图给出的详细说明书，将更容易理解前述实施方式的特性，在所述附图中：

图1A是示出根据本发明的实施方式的自组装金属离子能量储存电化学电池的垂直横截面图。

图1B是示出根据本发明的实施方式的没有护套的金属-离子能量储存电化学电池的另一种构造的垂直横截面图。

图2A～2C是示出根据本发明的实施方式的金属-离子能量储存电化学电池的充电过程的垂直横截面图。图2A示出在电池放电后的情况，图2B示出当电池在操作中并且连接至能量源(充电回路)时的情况，图2C示出在电池完全充电后的情况。

图3A-3C是示出根据本发明的实施方式的金属-离子能量储存电池的放电过程的垂直横截面图。图3A示出当电池完全充电时的情况，图3B示出当电池在操作中并且连接至负载时的情况，并且图3C示出在电池放电后的情况。

图4示出在液相和固相两者下操作的示例性Li-Bi电池体系的Li-Bi相图。在550℃的操作温度下，水平虚线AB(液体)显示当正极完全为液相时的Li-Bi的浓度，并且水平虚线AB(固体)显示根据本发明的实施方式当正极的至少一些部分为固相时Li-Bi的浓度。

图5A示出作为根据本发明的实施方式的示例性Li-Bi电池体系的电池容量的函数的充放电循环的电压属性。

图5B示出作为根据本发明的实施方式的示例性Li-Bi电池体系的容量和循环次数的函数的充放电循环的电压属性。

图6A示出作为根据本发明的实施方式的示例性Li-Bi电池体系的循环次数的函数的库仑和能量效率。

图6B示出在根据本发明的实施方式的示例性Li-Bi电池体系室温冷却后的循环的恢复。

图7A是根据本发明的实施方式的在完全充电状态下的示例性Li-Bi电池体系的横截面的照片。

图7B是根据本发明的实施方式的在完全放电状态下的示例性Li-Bi电池体系的横截面的照片。

图8示出根据本发明的实施方式的在各种电流速率下大规模Li-Bi电池的电压属性。

图9A和9B示出分别作为根据本发明的实施方式的示例性Li-Bi电池体系的在各种电流速率下的循环次数的函数的库仑效率和能量效率和放电容量。

图10A和10B示出分别作为根据本发明的实施方式的示例性Li-Bi电池体系的在相同电流速率下的循环次数的函数的库仑效率和能量效率和放电容量。

一般来讲，这些图没有按比例画，并且一般在本质上是示意性的。

具体实施方式

如在本说明书和所附的权利要求书中所使用的，术语“电池”可以包括单独的电化学电池或具有正极、负极和电解质的电池单元，以及具有电化学电池的阵列的构造。

参照图1A，根据本发明的实施方式，电化学电池10具有负极14和正极16，所述负极14具有金属或合金A，如碱金属或碱土金属，所述正极16具有金属的或非金属的元素或合金B，如元素周期表的族12～16中的一种或多种元素的组合(例如，Zn、Al、Sn、Pb、Sb、Bi、Te等)。这些电极协作以有效地经由电解质20储存和释放能量。虽然在一部分操作期间这些电极和电解质可以为液相，但是本发明的实施方式提供一种在液相和固相二者中工作的正极(阴极)。通过允许在金属电极电池中的正极的组成在液相和固相区域二者中操作，可以显著降低成本，并且液体电极的长寿命属性可以保留。另外，在循环期间液相的出现可以除去或治愈在循环的固相阶段期间遭受的任何机械降解。还提供了使用这种电池系统从外部电路储存电能的方法。各种实施方式的细节如下所述。

如在图1A中所示，电池10可以包括装在容器22中的电子导电层14、16和离子导电层20，所述容器22可以为导电性的并且可以包含绝缘内护套24。在这种容器由导电金属制成时，所述护套24防止通过在负极14和正极16之间经由容器22的电传导导致的短路。或者，容器22可以被盖26覆盖，所述盖26可以为导电性的。电绝缘封条29可以使盖26与容器22电绝缘，以将熔融成分和蒸汽限制在容器22内。在这种情况下，盖26与负极14接触的部分作为负集电器27发挥作用，通过所述负集电器27，电子可以经由与盖26接触的负端子28传到外源或槽(sink)(未示出)。

与正极16相接触的容器22的一部分作为正集电器23发挥作用，通过所述正集电器23，电子可以经由连接至容器22的正端子30传到外源或负载。通过连接一个电池单元的负端子28到另一个电池单元10的正端子30以形成电池，调整负端子28和正端子30以促进单独的电池单元的串联布置。端子28也可以彼此连接，并且端子30也可以彼此连接以平行布置电池。

或者，如在图1B中所示，通过使用电子导电结构62，所述电子导电结构62保持负极14远离容器22壁，消除了对于绝缘护套24的需要，可以消除使容器22的内表面电绝缘的费用和复杂性。保持负极14的液体金属的结构62的一部分充当负集电器27并且延伸至盖16外部的另一部分充当负端子28。例如由氮化硼、氧化铝、氧化镁制成的电绝缘封条64可以分离导电结构62和盖16。结构62优选构成如下使得当电池完全放电时一些熔融电极14保持在负集电器27和电解质20之间。表面张力维持负极14在保持负极14的结构62的部分周围。保持电极14的结构62的部分可以为如下形状：一个或多个棒，倒置的杯子，或网格，例如折叠为堆叠层或盘绕为螺旋或管。所述网格可以由直径为约0.1～1mm的线以相似的间距构成。或者，或者另外，保持电极14的部分可以为渗透性材料，例如泡沫或海绵。取决于电极14的组成，结构62可以由例如如下制成：碳、软钢、或含有例如镍和/或铬的钢合金。本领域技术人员已知另外的在固体导电结构附近保持液体金属的表面张力方法。

参照图1A和1B，电池10也可以具有覆盖负极14的惰性气体层32以容纳由充放电或温度变化造成的在三相体系中的总体体积变化。任选地，盖26或封条29包含安全压力阀(未示出)。容器22和盖26可以由具有必要的电导率(在需要时)、机械强度、和对于由液体电极14和16和电解质20导致的化学侵蚀的耐受性的材料形成。取决于电极的组成，常规材料如软钢可以为用于容器22和盖26的合适的材料。护套24可以从电绝缘材料形成并且应该对于电极14和16和电解质20是耐蚀的。例如，氮化硼、氮化铝、氧化铝和/或氧化镁是用于护套24和封条29的合适的材料，虽然也可以使用其它材料如耐高温聚合物，例如聚(氧乙烯)甲基丙烯酸酯-g-聚(二甲基硅氧烷)(POEM-g-PDMS)。或者，整个容器可以由聚合物制成，除了将电极14和16中的每个连接至连接到相应的负端子28和正端子30的集电器27、23。

在说明性实施方式中，构造电极14和16和电解质20以建立与如下相配的化学和物理性质：构建的简单性和经济性、稳健性、和电能的快速和高效的接收和放出。通过在两个导电性电极14和16之间经由电化学路径传输负极14的金属(在本文中称为活性金属)，说明性金属离子电池10接收或放出能量。包含活性金属的阳离子的液体电解质20能够实现在充放电期间活性金属的离子传输。本发明的实施方式可以包括显示合适的电压的金属或金属合金的任意组合。例如，负极14的化学组成可以包括金属如碱金属或碱土金属，例如Li、Na、K、Mg、Ca、Ba或其组合，并且正极16可以包含元素周期表的族12～16中的一种或多种元素，如Al、Si、Zn、Ga、Ge、Cd、In、Sn、Sb、Hg、Tl、Pb、Bi、Te或其组合。例如，负极可以为锂并且正极可以为铋或铅。电解质可以包含金属A的氢氧化盐，和/或一种、两种或更多种其它盐，如金属A的卤化物、硫酸盐、碳酸盐或酰胺。例如，对于Li-Bi电池，电解质可以包含LiCl-LiF(例如，LiCl(70mol％)-LiF(30mol％)的共熔混合物)。在所有体系中，通过将工作组成延伸至固相区域可以实现成本节省。

可以进一步规划电极14和16和电解质20使得其密度根据其在电池10中的作用而排序。各种实施方式具有以负极14/电解质20/正极16的顺序分别上升或下降的密度，使得在熔融这些成分时，电池10自发地自组装为垂直堆叠的层结构，如在图1A或1B中所示，以供更简单的制造。

图2A-2C示出根据本发明的实施方式在充电期间电池10的功能。图2A示出在未充电或放电状态下的电池10。在充电前，正极16包含与金属的或非金属的元素B一起的活性金属A。正极16可以完全是固体(未示出)，或可以包含固相16a和液相16b，如在图2A中所示。在活性金属-电解质界面42处负极14接触电解质20。以相应的方式，在分开的固体合金-电解质界面46处正极16接触电解质20。如以下所显示和所讨论的，这些界面在充放电期间移动，同时保持电解质的总体积，并且正极和负极的体积随着彼此的增加或降低而降低或增加。换句话说，正极16的体积分别对应于负极14体积的降低或增加而增加或降低。

图2B示出充电过程对于电池10的组分的影响。为了开始充电，将端子28和30连接至外部充电电路48，其驱动活性A金属从正极16经由电解质20到在负极14中的在更高化学电位下的中性金属。在充电期间，电子流从外部电路传输经由负集电器27进入负极14，并且到达活性金属-电解质界面42。活性阳离子A+穿过电解质20向着活性金属-电解质界面42运动。活性阳离子和电子在界面42处接触并且在还原半电池反应A++e-→A中被消耗。在半电池反应中产生的中性活性金属原子A在负极14上积累。因为在负极14中活性金属A积累，所以活性金属-电解质界面42进一步远离负集电器27。在合金-电解质界面46处，在正极中的活性金属A的原子在半电池反应A→A++e-中被氧化。因为活性阳离子A+进入电解质20，电子被释放以穿过正集电器23到达外部充电电路48。活性金属原子A的氧化收缩了正极16的固相16a，并且合金-电解质界面46向正集电器23移动。

图2C示出在其最终充电状态下的电池10。通过活性金属A的原子的损失，充电改变了至少正极16的组成。实际上，在一些实施方式中，在充放电循环中的该点处正极16可以名义上没有活性金属A，并且正极16可以完全在液相16b中，如在图2C中所示。一般来讲，负极14的厚度以正极16的厚度为代价而增加。因为相对于活性阳离子，充电过程是保守的，所以原则上电解质20的厚度是不变的。

在金属电极14中积累的活性金属A表示储存的电能，其可以基本上无限期地保持，只要没有外部电路连接两个电极14和16。在电池10中的半电池反应生成液相产物，其在电极14和16处保持，并且与电解质相接触。虽然电极14、16和电解质20在电池的操作温度下可以保持液态，但是活性金属和活性阳离子可以通过电化学途径机械化充放电。该可逆性使得金属离子电池对于在储能用电池中的用途是合适的。

图3A～3C示出根据本发明的实施方式的电池10的放电。图3A示出在充电状态下的电池10，而图3B示出连接至外部负载49的电池端子28和30，所述外部负载49启动放电。在放电期间，活性金属A自发地从负极14经由作为活性阳离子的电解质20返回在正极16中的在更低化学电位下的中性金属，先形成在液相16b中的合金AB，然后形成在固相16a中的合金AB。电子流进入电池，穿过正集电器23和正极16，到达正极-电解质界面46。活性阳离子A+穿过电解质20向着正极-电解质界面46移动。在界面46处在还原半电池反应A++e-→A中活性阳离子A+和电子被消耗。生成的中性活性金属原子A在正极16上积累。由于活性金属A在正极16中积累，合金-电解质界面46进一步离开正集电器23。在活性金属-电解质界面42处，在负极14中的活性金属A的原子在半电池反应A→A++e-中被氧化。生成的活性阳离子A+进入电解质20，并且释放的电子穿过负极集电器27到达外部负载49。活性金属原子的氧化引起负极14的消耗，同时活性金属-电解质界面42向着负集电器27移动。

图3C示出在其最终放电状态下的电池10。放电改变了至少正极16的组成，并且正极16可以包含在固相16a中的相当大的一部分(例如，10体积％以上，优选50％或甚至75％以上)。优选地，一部分正极16保持在液相16b中以促进在正极16和正集电器23之间的电传导。正极16的厚度可以以负极14的厚度为代价增加，虽然固相16a的密度可能取决于在电极14、16中使用的具体化学而改变正极16的整体厚度。由于放电过程相对于活性金属阳离子是保守的，所以理想地电解质20的厚度不变。

在涉及液体金属电极电池的文献中，正极完全放电的组成被限制于其中液体靠近第一两相区域的组成范围。在该方式中，电极在工作期间完全保持为液体。在图4中示出金属Li-Bi电池体系的Li-Bi相图的实例。在该电池体系中，锂是负极并且铋是正极。常规液体金属Li-Bi电池体系的正常操作(例如，在550℃的任意操作温度下)在从纯铋放电至52％锂(或甚至更低)与铋的合金期间将沿着水平线AB(液体)，其中第一固体Li₃Bi金属间化合物将开始形成。在随后充电时，正极组成将从在铋中52％的锂变为在铋中0％的锂。在该操作方式中，在所有充电和放电的状态下负极和正极将保持完全为液体。

然而，在本发明的实施方式中，固体金属间化合物被允许在正极中形成。使用相同的Li-Bi体系作为实例(例如，550℃的任意操作温度)，电池操作沿着在图4上的水平虚线AB(液体)从纯铋进行到52％锂，但是然后电池组成被设置为继续沿着水平虚线AB(固体)进行达到70％锂与铋的合金(如在图4中所示)，并且甚至达到75％锂与铋的合金。在这种新的操作方式下，随着锂组成从大于52％增加并且进入两相区域，在放电期间Li₃Bi固体金属间化合物在52％锂(或甚至更低)处开始沉淀。随着锂组成继续增加到75％，固体金属间化合物的量可能增加直到液相消失并且正极完全是固体。虽然放电在52％和75％之间，但是由于顶部界面向着阳极的接近和其相对于剩余的液相的低密度，固体金属间化合物形成为在正极的顶部的层，如在图3B和3C中所示。在充电时，Li₃Bi固体层减少直到锂的组成小于约52％，此时正极再次完全为液体，如在图2C中所示。电池10的操作温度取决于用于电极14、16和电解质20的具体化学，但是典型地在约300℃～约800℃之间，并且优选在约350℃～约600℃之间。

表1示出操作允许液相和固相电极两者的Li-Bi电池的成本收益。

表1常规液体金属电池体系和根据本发明的示例性Li-Bi电池体系的理论成本

以上实例假设无限小的电流正在通过(热力学平衡)，使得其行为精确地遵循相图。然而，在实际操作中，当实质性的电流通过时，固体形成时的组成可能变化。一般来讲，电流密度越大，第一固体形成时的平均浓度越低。因为该动态特性，固体有可能在整个充放电过程中存在，并且仅在电池充分充电时其返回完全液态。因为液相的治愈性质，确保电池充分充电对于长寿命操作可能是重要的。

虽然以上讨论着眼于在操作期间在各种阶段下在液相和固相下操作的正极(阴极)，除正极16之外，负极(阳极)14也可以在液相和固相下操作。

实施例

实施例1

Li-Bi电池被构建并且成功地运行以证明在液相和固相两者中操作的正极的概念。用于这些电池的锂的量为71.4mol％，其对应于Li_2.5Bi的最终正极组合，虽然电池的容量可以被延伸至75mol％锂(Li₃Bi)。将该电池组装为完全充电的状态。

在图5A和5B中将充放电电压属性表示为电池容量的函数。在图5A中，来自第1、第10和第50循环的电压曲线用于显示充放电循环。如图所示，该曲线几乎重叠，其表示循环保持一致。在放电循环的开始和充电循环的结束处可以明显地观察到的倾斜区域几乎构成充放电曲线的三分之一。倾斜区域对应于在图4中的单独液相区域，并且与在该体系中单相区域的存在符合良好。在图5B中，该属性被表示为容量和循环次数(80次连续循环)的函数，进一步展示了电池的循环一致性。

电池的理论容量为53.68Ah，并且根据电池性能，其等同于大于92％的锂利用。如可以在图6A中看见的，电池的库仑效率在整个电池的操作寿命期间为约99％。与所有其它50AhLi-Bi电池一样，可以观察到泄漏电流在初始电池循环期间快速降低，其导致放电容量的增加，充电容量的降低和相应的库仑效率的增加。在图6A中所示的电池中，泄漏电流从16mA/cm2(循环前)降低到3mA/cm2(10循环)，并且降低到1.6mA/cm2(100循环后)。

在自加热电池堆的实际现场操作条件下，取决于在那一瞬间的充放电速率，温度有可能波动。为了展示在温度变化下的电池稳健性，允许电池在电池循环期间冷却至室温。在冷却后，重复加热电池至操作温度并且恢复循环。在图6B中示出冷却循环后的结果。如图所示，库仑效率(99％)和能量效率(60％)与在冷却前完全相同。放电容量也未受影响。

图7A和7B是本发明的示例性Li-Bi电池体系的在完全充电状态和完全放电状态二者下的循环后的横截面图的照片。图7A示出正极(Bi)在充电状态下完全是液体，并且没有第二相存在。这证明通过消除在先前的放电期间形成的任何固相，正极可以除去可能在固相中存在的任何机械缺陷(例如，枝晶、裂缝)并且在每次充电后“治愈”其自身。在放电状态下，金属间化合物(其在操作温度下为固体)在正极处在液体Bi的小剩余池上方形成(参见，例如图7B)。

实施例2

根据本发明的实施方式使用在电池体系中的液体/固体正极而展示了大规模电池(例如，182cm²，内径6英寸)。利用在完全放电状态下的Li_70％-Bi组合物设计了该电池。使用的电解质是LiF_30％-LiCl_70％共熔组合物(T_m＝500℃)。操作温度为540℃。该电池被组装并且工作大于3000小时。该电池体系显示了优异的性能，当在50-500mA/cm²的范围内循环时其充放电能量效率在48-91.7％的范围内，参见例如图8。

图9A和9B将性能标准(例如，分别地，效率和放电容量)显示为示例性Li-Bi电池体系的循环次数的函数。使用了大范围试验参数(例如，电流、截止电压等)，尤其是各种电流速率(50～500mA/cm²)。

图10A和10B分别将库仑效率和能量效率和放电容量显示为在相同的300mA/cm²的电流速率下的循环次数的函数。在250次循环后，示例性Li-Bi电池体系的性能是稳定的并且观察到的容量衰减微不足道。

传统固态电池随着固体电极在循环中劣化而面临高容量衰减。传统液体金属电池通过在操作的所有阶段保持液体而提供长循环寿命，但是其将放电组合物限制在电极体系的完全液体区域下。通过利用用于正极(并且也可能是负极)的液相和固相二者，通过允许更多的负极材料被放电为相同量的正极可以获得大的成本节省，同时保留在液相中操作正极的治愈性质的好处。

本发明的实施方式在各种工业中具有广阔的应用，例如，用于网格储存的大规模电池的商业应用，在运输行业中的潜在应用等。实施方式代表对于获得用于固定应用的低成本储存装置又前进了一步，和向着用于运输应用的低成本电池的第一步。

上述本发明的实施方式旨在仅为示例性的；对于本领域技术人员而言，许多变化和修改将是明显的。所有这种变化和修饰都旨在在如权利要求书中所定义的本发明的范围内，所述权利要求书形成本申请的书面说明书的一部分。

Claims

1.被构造为与外部装置交换能量的电池体系，所述电池体系包含：

包含第一金属或合金的正极；

包含第二金属或合金的负极；和

包含所述第二金属或合金的盐的电解质，所述电解质在各电极/电解质界面处接触所述负极和所述正极，

其中在至少一部分操作期间，在所述电池体系的操作温度下所述正极、所述负极和所述电解质为液相，

其中所述正极在一种充电状态下完全为液相并且在另一种充电状态下包含固相，并且

其中所述正极的所述固相包含由所述第一金属或合金和所述第二金属或合金形成的固体金属间化合物。

2.权利要求1所述的电池体系，其中所述第一金属或合金包含铋。

3.权利要求1所述的电池体系，其中所述第二金属或合金包含锂。

4.权利要求1所述的电池体系，其中所述第一金属或合金包含铋，所述第二金属或合金包含锂，并且所述固体金属间化合物为Li₃Bi。

5.权利要求4所述的电池体系，其中所述正极包含合金，所述合金在铋中含有高达75％mol的锂。

6.权利要求1所述的电池体系，其中所述操作温度在约300℃～约800℃之间。

7.权利要求1所述的电池体系，其中开路电压为至少约0.5V。

8.权利要求1所述的电池体系，其中所述第二金属或合金包含碱金属。

9.权利要求1所述的电池体系，其中所述正极的所述固相使电池容量增加约至少10％。

10.权利要求1所述的电池体系，其中所述负极在一种充电状态下完全为液相而在另一种充电状态下包含固相，其中所述负极的所述固相包含由所述第一金属或合金和所述第二金属或合金形成的固体金属间化合物。

11.一种从外部电路储存电能的方法，所述方法包括：

提供电池体系，其包含：

包含第一金属或合金的正极；

包含第二金属或合金的负极；和

其中所述正极的所述固相包含由所述第一金属或合金和所述第二金属或合金形成的固体金属间化合物；

将所述电池体系电连接至所述外部电路；以及

操作所述外部电路从而驱动所述第二金属或合金从所述正极向所述负极转移。

12.权利要求11所述的方法，其中所述第一金属或合金包含铋。

13.权利要求11所述的方法，其中所述第二金属或合金包含锂。

14.权利要求11所述的方法，其中所述第一金属或合金包含铋，所述第二金属或合金包含锂，并且所述固体金属间化合物为Li₃Bi。

15.权利要求14所述的方法，其中所述正极包含合金，所述合金在铋中含有高达75％mol的锂。

16.权利要求11所述的方法，其中所述操作温度在约300℃～约800℃之间。

17.权利要求11所述的方法，其中开路电压至少为约0.5V。

18.权利要求11所述的方法，其中所述第二金属或合金包含碱金属。

19.权利要求11所述的方法，其中所述正极的所述固相使电池容量增加约至少10％。

20.权利要求11所述的方法，其中所述负极在一种充电状态下完全为液相而在另一种充电状态下包含固相，其中所述负极的所述固相包含由所述第一金属或合金和所述第二金属或合金形成的固体金属间化合物。