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    變革性水系液流電池新體系研究取得重要進展
     
    2022-07-04 | 文章來源:材料腐蝕與防護中心        【 】【打印】【關閉

      面對化石能源大量消耗造成的氣候變化,我國提出了“碳達峰碳中和”重大決策部署,積極推進可再生能源的規?;?,以實現高質量低碳轉型發展。然而,以風能、太陽能為代表的可再生能源發電具有不連續性,嚴重影響智能電網安全穩定運行。大規模長時儲能技術是解決這一問題的有效途徑,這其中水系液流電池儲能技術以其安全性高、循環壽命長等優勢,成為電力系統儲能的首選技術之一?!笆奈濉逼陂g國家明確提出加快新一代液流電池儲能技術開發和探索變革性高能量密度、低成本水系液流電池新體系,進一步推進儲能與智能電網技術快速發展。 

      近期,中國科學院金屬研究所材料腐蝕與防護中心腐蝕電化學課題組在高性能鋅基液流電池領域取得重要進展,研究人員在深入理解碘氧化還原反應機制的基礎上,提出了一種基于聚碘絡合物的碘正極溶液,有效解鎖了碘正極容量,實現了鋅碘液流電池的高能長效循環運行;此外,以鋅負極界面電化學行為調控為切入點,在鋅負極電解液中引入煙酰胺,有效避免了鋅枝晶并顯著提升了鋅負極沉積溶解反應可逆性,組裝的鋅鐵液流電池實現了高效穩定運行,相關研究成果相繼發表在Journal of Materials Chemistry AACS Energy Letters上,碩士生楊靜為論文的第一作者,唐奡為論文的通訊作者。 

      鋅碘液流電池理論容量和能量密度高,但碘正極氧化反應生成的I2會進一步與I-絡合形成I3-,極大限制了碘正極實際使用容量。針對這一問題,通過在碘化鉀正極溶液中引入聚乙烯吡咯烷酮(PVP),單體NVP羰基上氧的孤對電子促進了I2中的I-I鍵斷裂和I-O鍵的形成,進而生成可溶性聚碘絡合物NVP-2I3-,避免了I2與I-絡合形成I3-,有效解鎖了碘正極容量(圖1);組裝的鋅碘液流電池放電容量顯著提升了58%(115 Ah L-1),在70%能量效率下穩定循環600圈(圖2)。研究結果證明了PVP作為一種經濟高效添加劑可有效應用于鋅碘液流電池碘正極,為釋放碘正極容量和開發高性能鋅碘液流電池提供了新的途徑,相關研究工作以“High-capacity zinc-iodine flow batteries enabled by a polymer-polyiodide complex cathode”為題發表于Journal of Materials Chemistry A, 2021, 9, 16093-16098。 

      鋅基液流電池鋅負極成本低、能量密度高,但在中性水溶液中存在可逆性差、易腐蝕和產生鋅枝晶等問題,嚴重制約了鋅負極的長期循環穩定性。針對這一問題,通過在氯化鋅溶液中加入煙酰胺(NAM),可有效重塑電極界面處Zn2+離子的溶劑化結構,促進Zn2+去溶劑化并抑制鋅還原時氫氣的析出,而從Zn2+溶劑化鞘層釋放的 NAM 分子隨后吸附在電極上,進一步調節 Zn2+向電極界面的均勻擴散,抑制尖端效應;隨著鋅還原過程的持續進行,NAM 分子在電極/溶液界面不斷重復這種協同調制作用,最終形成均勻、無枝晶的鋅沉積(圖5)。得益于此,組裝的鋅鐵液流電池性能顯著增強,在50 mA cm -2下充放電循環400次(約120 h)無明顯容量衰減,并可實現185 mW cm-2的功率密度、98.9% 的容量保持率和70%的能量效率,循環壽命提升了100%,為高性能鋅基液流電池開發提供了技術支撐,相關工作以“Synergetic Modulation on Solvation Structure and Electrode Interface Enables a Highly Reversible Zinc Anode for Zinc-Iron Flow Batteries”為題發表于ACS Energy Letters, 2022, 7, 2331-23391。 

    圖1. PVP與碘相互作用示意圖。

     

    圖2. 鋅碘液流電池示意圖以及不同濃度正極電解液的恒流電壓-容量曲線。

    圖3. (a)NAM、ZnCl2和ZnCl2-NAM的紅外光譜;(b-c)ZnCl2和ZnCl2-NAM的高分辨率XPS N 1s和O 1s光譜;(d)ZnCl2-NAM的分子動力學模型,Zn2+-N (NAM)和Zn2+-O (NAM)的徑向分布函數;(e)Zn2+-6H2O(左)和Zn2+-4H2O-NAM(右)溶劑化結構的靜電勢圖;(f)LUMO和HOMO等值面

       

    圖4. (a)0.5 M ZnCl2+0.05 M NAM溶液中鍍鋅碳氈的形貌和EDX元素圖;(b)原始碳氈和NAM吸附的碳氈的高分辨率XPS C 1s光譜;(c)Zn (002)平面吸附能比較;(d)NAM在碳纖維上的吸附位點示意圖;(e-f)NAM和NAM吸附的碳氈的高分辨率XPS N 1s和O1s光譜;(g)吸附在Zn (002)平面上的NAM的差分電荷密度;(h)引入NAM前后的電極/溶液界面示意圖;(i)ZnCl2(左)和ZnCl2-NAM(右)中Zn2+通量分布的數值模擬。

    圖5. (a)NAM對鋅沉積的影響示意圖;(b)基于NAM的鋅鐵液流電池的示意圖;(c)使用0.5 M ZnCl2+ 0.05 M NAM負極電解液的鋅鐵液流電池放電極化曲線和功率密度曲線;(d)20 mA cm-2下電池的恒電流電壓曲線; (e)Zn//Zn對稱電池的長期恒流充放電比較。

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