中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：在全球能源轉(zhuǎn)型加速、可再生能源大規(guī)模并網(wǎng)的背景下，低成本、長壽命、高安全性的長時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)成為剛需。堿性全鐵液流電池因鐵資源豐富、本質(zhì)安全、功率容量可解耦，是大規(guī)模儲(chǔ)能的理想選擇，但傳統(tǒng)鐵基負(fù)極液存在電化學(xué)可逆性差、活性物質(zhì)易分解、配體跨膜滲透等問題，嚴(yán)重限制電池循環(huán)壽命與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
近日，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心唐奡研究員、李瑛研究員團(tuán)隊(duì)攻克這一關(guān)鍵瓶頸，提出高空間位阻與負(fù)電荷界面協(xié)同設(shè)計(jì)策略，成功研發(fā)出超穩(wěn)定鐵配合物負(fù)極電解液，讓堿性全鐵液流電池實(shí)現(xiàn)6000次超長循環(huán)無容量衰減，相關(guān)成果發(fā)表于《Advanced Energy Materials》，特別研究助理魏巍為論文第一作者。
團(tuán)隊(duì)從分子結(jié)構(gòu)出發(fā)，以12種富含羥基、磺酸基的有機(jī)配體為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)合成11種結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)調(diào)控的鐵配合物，經(jīng)理論計(jì)算與多輪篩選，最終確定[Fe (HPF) BHS]??雙配體螯合負(fù)極液 （圖1）。該配合物通過多齒強(qiáng)配位構(gòu)筑大空間位阻結(jié)構(gòu)，同時(shí)利用磺酸基與羥基形成負(fù)電荷界面，借助Donnan排斥效應(yīng)實(shí)現(xiàn)雙重保護(hù)：一方面有效阻擋氫氧根對(duì)鐵離子中心的侵蝕，避免活性物質(zhì)分解；另一方面顯著降低活性物質(zhì)與游離配體的跨膜滲透（圖2），從根源解決電解液交叉污染與降解失效難題，全面提升電池長期運(yùn)行穩(wěn)定性。
性能測(cè)試顯示，該新型電解液體系實(shí)現(xiàn)全面突破：在80mA?cm?2 電流密度下，電池穩(wěn)定運(yùn)行超6000次循環(huán)且容量無衰減，平均庫侖效率達(dá)99.4%；150mA?cm?2 高電流密度下能量效率保持 78.5%，峰值功率密度達(dá)392.1 mW?cm?2；0.9M高濃度工況下仍可穩(wěn)定循環(huán)2000次，能量效率達(dá)71.5% （圖3）。多尺度表征證實(shí)，[Fe (HPF) BHS]??可重塑鐵離子溶劑化結(jié)構(gòu)，配體滲透速率較傳統(tǒng)體系降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)，6000次循環(huán)后無沉淀、無副產(chǎn)物累積，結(jié)構(gòu)與可逆性保持完好（圖4）。
本研究建立了全新的鐵基電解液設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，大幅提升全鐵液流電池壽命與經(jīng)濟(jì)性，為大規(guī)模儲(chǔ)能提供低成本、長壽命解決方案，助力雙碳目標(biāo)與能源安全保障。
圖1. 堿性全鐵液流電池電解液活性物質(zhì)設(shè)計(jì)篩選策略
圖2. 堿性全鐵液流電池負(fù)極活性物質(zhì)電化學(xué)性能
圖3. 堿性全鐵液流電池電池性能
圖4. [Fe (HPF) BHS]?? 負(fù)極電解液活性物質(zhì)失效機(jī)制
