作者:闫苏等 来源:《化学可持续化学》 发布时间:2023/8/4 10:52:09
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给液流电池加点“料” 电池能量密度大幅提升

 

水系液流电池由于能量和功率彼此独立、安全性高和储能规模可调等特点,在大规模储能领域极具应用前景。然而活性物质在水中存在溶解度极限,制约着水系液流电池的能量密度,因此水系液流电池的产业化发展受到低能量密度和高成本等关键问题的限制。

铁氰化物/亚铁氰化物是目前常见的水系液流电池正极活性物质,具有可逆性好、稳定性高和原材料成本低等优点,但其溶解度低,阻碍了铁基液流电池的发展。因此,亟需打破活性物质溶解度限制,开发高能量密度电解液体系。

长沙理工大学教授贾传坤和丁美,基于团队首创的中性铁硫液流电池体系,联合新加坡国立大学教授王庆,利用氧化还原靶向反应的机理,构建了新一代高能量密度中性铁硫固液相液流电池系统。近日,该研究成果发表在《化学可持续化学》(ChemSusChem)上。长沙理工大学硕士研究生闫苏、徐贺和新加坡国立大学博士研究生黄松鹏为共同一作,贾传坤、丁美和王庆为共同通讯作者。

贾传坤(左)和学生开展相关实验。受访者 供图

该研究团队基于异离子效应原理,将亚铁氰化钾和亚铁氰化钠混合物作为正极活性物质,成功将铁氰化物/亚铁氰化物的溶解度大幅提升至1.62摩尔/升。在正极储液罐中引入普鲁士蓝作为固体储能材料,利用氧化还原靶向反应,进一步将正极活性物质的理论浓度增加到10 摩尔/升,该侧在中性铁硫液流电池体系中理论能量密度高达260 Wh L-1

电池测试结果表明,正极电解液实际能量密度为92.8 Wh L-1,电池的最大功率密度达到284.7 mW cm-2。同时该体系具有优异的高温性能,在50摄氏度下电池仍能保持良好的循环稳定性,且固体储能材料的利用率随着温度升高逐步增加。中性铁硫液流电池小电堆的库伦效率接近100%。

研究发现,基于氧化还原靶向反应的中性铁硫液流电池表现出超长的循环寿命,7000次(4500 h)循环后,由于固体储能物质持续释放容量,电池的容量保持率达到181.8%。

“这个过程好比在传统液流电池储液罐里加了固体,实现了电池能量密度大幅度提升。”贾传坤表示,该研究设计的基于氧化还原靶向反应的中性铁硫液流电池具有较低的电解液成本,在大规模储能领域极具应用前景。相比较以往报道的铁氰化物/亚铁氰化物电解液体系,该研究得到的电解液体系表现出最高的体积容量,为95.7 Ah L-1

该研究成果于2022年2月获得专利授权(高体积容量液流电池系统,ZL202111260042.5),已与湖南创达储能科技有限公司完成专利成果转化。目前,该成果已完成产业化落地,建成完善的液流电池储能系统产业线,成功开发出多种液流电池堆导液框结构,5千瓦、10 千瓦和20 千瓦中性铁硫液流电池堆产品完成测试,正建设100兆瓦中性铁硫液流电池生产线,预计2024年建成投产。(来源:中国科学报 王昊昊)

团队和相关企业研制的20千瓦中性铁硫液流电池单堆产品。受访者 供图

相关论文信息:https://doi.org/10.1002/cssc.202300710

 
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