雙碳戰略下我國的能源結構轉型與國家能源安全，離不開(kāi)清潔能源的規模化利用。2023年我國發(fā)電端新增裝機量中，以風(fēng)電、光伏為主的可再生能源占比首次突破50%。因此，風(fēng)光配儲已經(jīng)被提升到國家發(fā)展和安全的戰略高度。在諸多新型儲能技術(shù)路線(xiàn)中，以全釩液流電池為代表的液流電池儲能技術(shù)，本質(zhì)安全、可靈活部署，因此成為了長(cháng)時(shí)儲能技術(shù)中的首選電化學(xué)儲能技術(shù)路線(xiàn)。然而，受制于釩資源釋放量的限制，現階段全釩液流電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展仍然面臨著(zhù)成本高這一發(fā)展瓶頸。因此，研發(fā)低成本液流電池新體系新技術(shù)，是解決現階段液流電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展瓶頸的有效途徑。
近期，中國科學(xué)院金屬研究所腐蝕電化學(xué)課題組在新型低成本鐵基液流電池儲能技術(shù)研究領(lǐng)域取得了新進(jìn)展。研究人員在前期全鐵液流電池研究工作基礎上（J. Mater. Chem. A,2021,9,20354;Small,2022,2204356），以鐵負極氧化還原反應可逆性為切入點(diǎn)，先后通過(guò)電極界面缺陷設計和極性溶劑調，成功實(shí)現了充放電過(guò)程中鐵單質(zhì)在電極纖維表面的均勻沉積和溶解，并且進(jìn)一步通過(guò)弱化水合氫鍵網(wǎng)絡(luò )作用，實(shí)現了-20℃低溫條件下電解液不凝固及電池穩定運行，有效突破了現階段全鐵液流電池負極材料的技術(shù)瓶頸，相關(guān)研究結果相繼發(fā)表在Chemical Engineering Journal和Small雜志上，碩士生宋袁芳、博士生楊靜分別為論文的第一作者，李瑛研究員、唐奡研究員為論文的通訊作者。
全鐵液流電池以低成本氯化亞鐵作為活性物質(zhì)，有效避免了正負極交叉污染，但受制于鐵負極Fe2+/Fe電化學(xué)反應可逆性差的制約，現有性能無(wú)法滿(mǎn)足應用要求。針對這一問(wèn)題，研究人員通過(guò)在電極界面進(jìn)行金屬刻蝕處理，使得電極纖維表面富含缺陷結構（圖1），有效調控了Fe2+離子在電極界面的沉積反應成核特性，促進(jìn)了鐵沉積反應均一性及氧化還原反應動(dòng)力學(xué)（圖2），并利用理論計算和仿真分析揭示了Fe2+在碳缺陷處的雜化作用增強機制及鐵沉積過(guò)程演化規律（圖3）。得益于此，組裝的全鐵液流電池實(shí)現了80 mW cm-2的功率密度和250圈循環(huán)99%的電流效率（圖4），循環(huán)穩定性有效提升了10倍，研究結果證明了電極界面優(yōu)化設計可有效提升鐵負極性能，為實(shí)現全鐵液流電池高效穩定運行提供了新途徑，相關(guān)研究工作以“Surface Engineered Carbon Felt toward Highly Reversible Fe Anode for All-Iron Flow Batteries”為題發(fā)表于Chemical Engineering Journal,2024,487,150592。
電極設計策略有效的提升了全鐵液流電池的循環(huán)性能指標，但受制于水系電解液0℃凝固的制約，全鐵液流電池在高寒地區的低溫運行仍難以實(shí)現。弱化水分子間相互作用，降低電解液凝固點(diǎn)，是解決上述問(wèn)題的首要途徑。針對這一問(wèn)題，研究人員通過(guò)在溶液中引入極性溶劑（圖5），利用極性分子與氫鍵相互作用，成功弱化了溶液的水合氫鍵網(wǎng)絡(luò )（圖6），將電解液凝固點(diǎn)有效降低到-20℃以下，且協(xié)同提升了鐵負極電化學(xué)可逆性（圖7），首次實(shí)現了全電池在-20℃低溫條件下下100小時(shí)穩定運行（圖8），研究結果為寬溫域全鐵液流電池技術(shù)產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)與應用推廣奠定了技術(shù)基礎，相關(guān)研究工作以“A Universal Additive Design Strategy to Modulate Solvation Structure and Hydrogen Bond Network toward Highly Reversible Fe Anode for Low-Temperature All-Iron Flow Batteries”為題發(fā)表于Small,2024,20,2307354。
圖1. 電極制備機理與形貌表征
圖2. （a-d）電極缺陷與成分表征；（e-g）電極電化學(xué)測試；（h）鐵沉積形貌
圖3. （a-d）電極界面反應理論計算；（e）鐵沉積反應有限元仿真；（f）沉積形貌
圖4. （a）對稱(chēng)電池實(shí)驗；（b-f）全電池倍率性能與長(cháng)期循環(huán)實(shí)驗
圖5. (a-c) 23種極性溶劑的溶解自由能、HOMO軌道、偶極矩、靜電勢計算;(d)極性溶劑成本分析
圖6. （a）低溫溶液狀態(tài)；（b）NMR分析；(c-h) Raman分析；（i）溶液氫鍵組成分析；（j-l）氫鍵數量分子動(dòng)力學(xué)計算
圖7. （a）Fe2+溶劑化結構分子動(dòng)力學(xué)計算；（b）鐵沉積形貌分析；（c）鐵沉積有限元仿真分析
圖8. （a）低溫全鐵液流電池功率密度與電壓曲線(xiàn)；（b）低溫電池循環(huán)與倍率性能
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