新突破！新一代低成本全鐵液流電池儲能技術(shù)

近日，中國科學(xué)院金屬研究所材料符石與防護(hù)中心腐蝕電化學(xué)課題組在新一代低成本全鐵液流電池儲能技術(shù)領(lǐng)域取得了一系列重要進(jìn)展。

技術(shù)突破新進(jìn)展

全鐵液流電池在1981年被提出，分為酸性和堿性兩種體系，當(dāng)前階段酸性全鐵液流電池在商業(yè)開發(fā)上較為成熟，主要反應(yīng)是通過鐵的價態(tài)變化來儲存和釋放電能。

全鐵液流電池當(dāng)前的主要問題是負(fù)極析氫反應(yīng)以及需要抑制氫氧化鐵沉淀的生成，會降低電池的運(yùn)行效率，減小電池容量，且有減小堵塞離子傳導(dǎo)膜的風(fēng)險。

據(jù)悉，此次中國科學(xué)院的研究人員以負(fù)極Fe/Fe2+相變作為切入點(diǎn)，提出了配位化學(xué)設(shè)計(jì)策略，先后通過引入絡(luò)合劑與極性溶劑，協(xié)同提升了Fe/Fe2+沉積溶解放映可逆性和析氫抑制性，實(shí)現(xiàn)了低成本全鐵液流電池高效穩(wěn)定長循環(huán)運(yùn)行。

研究人員在FeCl2水溶液中引入檸檬酸鈉，強(qiáng)配體檸檬酸根通過羥基與亞鐵離子結(jié)合形成穩(wěn)定的配位結(jié)構(gòu)，改變了亞鐵離子在水溶液匯總固有的六水合結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)而抑制水解及避免還原過程中的析氫反應(yīng)。

此外，研究人員通過進(jìn)一步選取富含極性基團(tuán)的極性溶劑DMSO作為負(fù)極溶液添加劑，可協(xié)同實(shí)現(xiàn)Fe2+離子的主溶劑化鞘層重塑及Fe2+離子的擇優(yōu)晶面生長，有效抑制了水合氫離子的析氫反應(yīng)，促進(jìn)了Fe2+離子在平整的Fe(110)晶面優(yōu)先形核，最終形成均勻、無枝晶的鐵沉積形貌。

據(jù)介紹，中國科學(xué)院組裝的全鐵液流電池實(shí)現(xiàn)了99.3%電流效率、70%能量效率和300全循環(huán)100%的高容量保持率，循環(huán)壽命提升了11倍。

目前，全鐵液流電池在國內(nèi)還處于技術(shù)研發(fā)階段，沒有進(jìn)行商業(yè)化推進(jìn)和產(chǎn)品開發(fā)。

但在國外已進(jìn)入了相應(yīng)的商業(yè)化應(yīng)用階段，商業(yè)應(yīng)用規(guī)模已達(dá)到兆瓦級，正在向著GWh級別發(fā)展。2021年，北美的ESS公司與軟銀旗下的SDenergy簽署協(xié)議，承諾到2026年前向其提供2GWh的電池系統(tǒng)。

液流電池分析

在“雙碳”背景下，儲能作為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的關(guān)鍵一環(huán)，將迎來飛速發(fā)展。在一系列儲能技術(shù)發(fā)展中，又以電化學(xué)儲能發(fā)展速度最快，當(dāng)前電化學(xué)儲能領(lǐng)域以鋰離子電池一家獨(dú)大，其余諸多儲能技術(shù)大多未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

從長期來看，液流電池將成為鋰離子電池的替代品，在發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)均有很好的應(yīng)用切入點(diǎn)，技術(shù)需求契合度高，成本下降速度快，在儲能方面具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

液流電池的種類包括全鐵、全釩、鋅溴、鋅鎳、鋅鐵、鋅空液流電池等，以下將一一介紹這些技術(shù)。

全釩液流電池是在我國技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的液流電池儲能技術(shù)，于1978年在意大利被提出，其循環(huán)壽命長、能量轉(zhuǎn)換效率高、安全性強(qiáng)、充電便捷等優(yōu)點(diǎn)，完美契合大規(guī)模儲能場景。

當(dāng)前，全釩液流電池的技術(shù)難點(diǎn)主要有兩個釩電解液強(qiáng)腐蝕的滲透問題以及其隔膜需進(jìn)口成本較高的問題?，F(xiàn)階段全釩液流電池能實(shí)現(xiàn)20000次的循環(huán)壽命，能量效率可達(dá)80%。

鋅溴液流電池最早由美國?？松梨诠景l(fā)明，正極采用溴離子和溴單質(zhì)電對，負(fù)極采用鋅離子和新單質(zhì)電對。鋅溴液流電池是除全釩液流電池以外商業(yè)化比較成功的液流電池技術(shù)，目前應(yīng)用規(guī)模在十兆瓦級別，具有結(jié)構(gòu)簡單、能量密度高、成本低的優(yōu)點(diǎn)。

當(dāng)前的主要問題是存在電極活性物質(zhì)泄露造成的電池自放電問題以及溴本身的腐蝕性、化學(xué)氧化性、揮發(fā)性帶來的污染問題。鋅溴液流電池循環(huán)壽命可達(dá)6000次以上，能量效率可達(dá)70%。

鋅鎳液流電池與鋅溴液流電池結(jié)構(gòu)類似，但其正負(fù)極采用同一種電解質(zhì)，無需離子交換膜，結(jié)構(gòu)簡單。問題也很明顯，鎳的價格在快速上漲，導(dǎo)致成本很高，且功率較低，還需長遠(yuǎn)發(fā)展。

鐵鋅液流電池于1981年提出，其正極電解液組成為亞鐵氰化鉀和KOH 溶液，負(fù)極電解液組成為 Zn(OH)42–和 KOH 溶液。目前應(yīng)用規(guī)模已達(dá)到兆瓦級別。

鐵鋅液流電池主要面臨著鋅枝晶與功率和容量不能完全解耦的問題，其負(fù)面容量較低，且相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈不夠成熟。循環(huán)壽命可達(dá)15000次以上，能量效率可達(dá)80%。

鋅空氣液流電池于2009年由我國教授提出，該電池在充電過程中，正極發(fā)生氧析出反應(yīng)，鋅離子沉積為金屬鋅，放電過程中，負(fù)極上的鋅溶解，以鋅離子的狀態(tài)保存到電解液中。目前在國內(nèi)的也處于兆瓦級別。

鋅空氣液流電池主要問題也和大部分鋅液流電池一樣，面臨著鋅枝晶的問題，此外還面臨著電流密度低。氧析出氧還原雙效催化劑開發(fā)不全面的問題。循環(huán)壽命可達(dá)20000次以上，能量效率為65%。