水系液流電池由于能量和功率彼此獨(dú)立、安全性高和儲(chǔ)能規(guī)?？烧{(diào)等特點(diǎn)，在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域極具應(yīng)用前景。然而活性物質(zhì)在水中存在溶解度極限，制約著水系液流電池的能量密度，因此水系液流電池的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展受到低能量密度和高成本等關(guān)鍵問(wèn)題的限制。

鐵氰化物/亞鐵氰化物是目前常見(jiàn)的水系液流電池正極活性物質(zhì)，具有可逆性好、穩(wěn)定性高和原材料成本低等優(yōu)點(diǎn)，但其溶解度低，阻礙了鐵基液流電池的發(fā)展。因此，亟需打破活性物質(zhì)溶解度限制，開(kāi)發(fā)高能量密度電解液體系。

(資料圖片僅供參考)

長(zhǎng)沙理工大學(xué)教授賈傳坤和丁美，基于團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)的中性鐵硫液流電池體系，聯(lián)合新加坡國(guó)立大學(xué)教授王慶，利用氧化還原靶向反應(yīng)的機(jī)理，構(gòu)建了新一代高能量密度中性鐵硫固液相液流電池系統(tǒng)。近日，該研究成果發(fā)表在《化學(xué)可持續(xù)化學(xué)》（ChemSusChem）上。長(zhǎng)沙理工大學(xué)碩士研究生閆蘇、徐賀和新加坡國(guó)立大學(xué)博士研究生黃松鵬為共同一作，賈傳坤、丁美和王慶為共同通訊作者。

賈傳坤（左）和學(xué)生開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

該研究團(tuán)隊(duì)基于異離子效應(yīng)原理，將亞鐵氰化鉀和亞鐵氰化鈉混合物作為正極活性物質(zhì)，成功將鐵氰化物/亞鐵氰化物的溶解度大幅提升至1.62摩爾/升。在正極儲(chǔ)液罐中引入普魯士藍(lán)作為固體儲(chǔ)能材料，利用氧化還原靶向反應(yīng)，進(jìn)一步將正極活性物質(zhì)的理論濃度增加到10 摩爾/升，該側(cè)在中性鐵硫液流電池體系中理論能量密度高達(dá)260 Wh L-1。

電池測(cè)試結(jié)果表明，正極電解液實(shí)際能量密度為92.8 Wh L-1，電池的最大功率密度達(dá)到284.7 mW cm-2。同時(shí)該體系具有優(yōu)異的高溫性能，在50攝氏度下電池仍能保持良好的循環(huán)穩(wěn)定性，且固體儲(chǔ)能材料的利用率隨著溫度升高逐步增加。中性鐵硫液流電池小電堆的庫(kù)倫效率接近100%。

研究發(fā)現(xiàn)，基于氧化還原靶向反應(yīng)的中性鐵硫液流電池表現(xiàn)出超長(zhǎng)的循環(huán)壽命，7000次(4500 h)循環(huán)后，由于固體儲(chǔ)能物質(zhì)持續(xù)釋放容量，電池的容量保持率達(dá)到181.8%。

“這個(gè)過(guò)程好比在傳統(tǒng)液流電池儲(chǔ)液罐里加了固體，實(shí)現(xiàn)了電池能量密度大幅度提升?！辟Z傳坤表示，該研究設(shè)計(jì)的基于氧化還原靶向反應(yīng)的中性鐵硫液流電池具有較低的電解液成本，在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域極具應(yīng)用前景。相比較以往報(bào)道的鐵氰化物/亞鐵氰化物電解液體系，該研究得到的電解液體系表現(xiàn)出最高的體積容量，為95.7 Ah L-1。

團(tuán)隊(duì)和相關(guān)企業(yè)研制的20千瓦中性鐵硫液流電池單堆產(chǎn)品。

該研究成果于2022年2月獲得專(zhuān)利授權(quán)（高體積容量液流電池系統(tǒng)，ZL202111260042.5），已與湖南創(chuàng)達(dá)儲(chǔ)能科技有限公司完成專(zhuān)利成果轉(zhuǎn)化。目前，該成果已完成產(chǎn)業(yè)化落地，建成完善的液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)線(xiàn)，成功開(kāi)發(fā)出多種液流電池堆導(dǎo)液框結(jié)構(gòu)，5千瓦、10 千瓦和20 千瓦中性鐵硫液流電池堆產(chǎn)品完成測(cè)試，正建設(shè)100兆瓦中性鐵硫液流電池生產(chǎn)線(xiàn)，預(yù)計(jì)2024年建成投產(chǎn)。

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