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| 研究者突破亚铁氰化物溶解度极限 |
| 可使大规模储能铁液流电池正极体积缩小一倍、容量提高一倍多 |
记者6月13日从长沙理工大学获悉，该校储能研究所所长贾传坤教授团队和中国科学院化学研究所合作，突破了亚铁氰化物溶解度极限，可使大规模储能铁液流电池正极体积缩小一倍、容量提高一倍多。
随着风力发电、光伏发电等新能源发电技术的不断进步和设备的快速布局，我国新能源产业发展迅速，新能源电站装机容量和发电量占全国发电装机总容量和总发电量的比例均呈现出逐年上升趋势。大规模高效储能技术是实现太阳能、风能等可再生能源普及和应用的关键技术。在此背景下，亟需深入开展大规模储能技术研究，有效把风力和光伏获得的电能存储起来。
当前的大规模储能技术包括物理储能、化学储能两大类，前者主要包括抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能等，后者则包括铅酸电池、锂电池、液流电池等。抽水储能是目前比较成熟的大规模储能方式，即在电力负荷低谷期将水从低水位水库抽到高水位水库，将电能转化为重力势能储存起来，在电网负荷高峰期释放高水位水库中的水发电。
图中（a）已报道基于亚铁氰根离子/铁氰根离子电对的正极电解液能量密度与本文工作对比；（b）亚铁氰化钾在氢氧化钠中的计算模型；（c）亚铁氰化钾在氢氧化钾中的计算模型。 受访者供图
抽水储能虽有寿命长、安全可靠等特点，但其建设周期长，会带来一定生态问题，也受水资源制约，只能因地制宜适当发展。液流电池由于其功率与能量分离、设计灵活、安全性高以及循环寿命长等优点，成为大规模储能领域中最具吸引力的技术之一。
在液流电池正极电解液活性物质中，亚铁氰化物/铁氰化物由于其安全稳定且具有优越的电化学可逆性而成为近年来的研究热点。然而，单一的亚铁氰化物/铁氰化物在水中溶解度较低，造成其在与二羟基蒽醌、四氧嘧啶7/8-羧酸、黄素单核苷酸、丙酸官能化吩嗪等有机物耦合组成的液流电池中能量密度极低的问题，限制了这些体系的商业化发展。
为解决亚铁氰化物/铁氰化物溶解度低这一“硬伤”，上述团队通过“异离子效应”，突破了亚铁氰化物/铁氰化物的溶解度极限，从而获得了基于亚铁氰化物/铁氰化物的高能量密度锌铁液流电池体系。
图中 （a）为由3个但电池组成的小型电池堆照片；（b）充放电循环过程中电池堆电压-容量曲线；（c）电池堆充放电循环性能；（d）已报道的具有代表性的不同液流电池与本工作构建锌-铁液流电池的功率密度-电压对比；（e）已报道的具有代表性的不同液流电池与本工作构建锌-铁液流电池的电解液成本-正极侧能量密度对比。 受访者供图
研究者从亚铁氰根离子/铁氰根离子电对作为正极活性物质的液流电池研究出发，通过表格和数据图对比对亚铁氰根离子/铁氰根离子电对在不同液流电池体系中的浓度进行汇总，发现室温下其在氢氧化钾、氯化钠或氯化钾支持电解液中的浓度通常为0.4摩尔每升左右，由此构建的液流电池能量密度低于20瓦时每升。为解决亚铁氰根离子/铁氰根离子电对溶解度低的问题，作者基于“异离子效应”，以等摩尔亚铁氰化钾与亚铁氰化钠混合物作为正极活性物质，将亚铁氰根离子浓度提高到1.46摩尔每升，由此构建的锌-铁液流电池（AZIRFB）能量密度相应提高到73.64 瓦时每升。
据介绍，该策略构建的锌-铁液流电池体系在未来大规模储能系统中具有巨大的应用前景。值得一提的是，这种简单又实用的“异离子效应”策略可以为其它以亚铁氰化物/铁氰化物电对为电解液的液流电池体系能量密度的提升提供新途径。
“作者在该项中报道了一种面向大规模储能的高能量密度、低成本碱性锌-铁液流电池。该碱性锌-铁液流电池具有88.1%的高能量效率和20.59美元每千瓦时的低电解液成本。更重要的是，这种新型碱性锌-铁液流电池系统的可靠性已在电池堆上得到验证，因此其具有在大型储能系统中进行商业化应用的前景。这项工作为开发面向大规模储能的新型高能量密度、低成本的氧化还原液流电池系统提供了解决方案。总的来说，这是一项很有意义的工作。”该论文审稿人表示。
“液流电池中用到的亚铁氰根离子/铁氰根离子电对溶解度都有上限，这个上限决定了体系的能量密度。在该项研究中，我们创新地将液流电池正极含铁电解液的部分钾离子换成钠离子，使得异离子间吸附能提高，溶解度会有明显提升。这种混合途径得到的亚铁氰根离子/铁氰根离子电对也比单一途径得到的亚铁氰根离子/铁氰根离子电对的循环稳定性要更强。”贾传坤表示，“目前该技术已经成熟，我们已经在长沙进行该类型高溶解度铁液流电池相关产业化布局，预计今年10月会推出相关产品。”
长沙理工大学-创达集团铁液流电池联合的产学研基地，预计今年10月投产。 受访者供图
上述研究论文近日发表于《今日材料能源》（Materials Today Energy）。该研究得到了湖南省湖湘高层次人才聚集工程、湖南省自然科学基金、湖南省教育厅优秀青年项目及企业产学研横向等项目的支持。（来源：中国科学报 王昊昊）
相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.mtener.2022.101061
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