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Joule荐读:德克萨斯奥斯汀分校余桂华团队——利用低共熔液体设计出新型铁铝液流电池

为了有效利用太阳能、潮汐能和风能等环境友好的可再生能源,目前高效快捷的储能技术被认为是最有竞争力的解决方案。而其中液流电池因为其独特的液态储能方式和特点,所以被视为大规模储能的理想技术。但是传统的液流电池,例如全钒或锌溴电池,一直遭受元素丰量低,酸性电解液的安全隐患或者锌枝晶生长等问题的困扰。所以,为了进一步发展低成本、安全可靠、绿色环保以及高能量密度的下一代液流电池,需要通过寻找新的液体化学体系来设计新型绿色高浓度的电解液。相关成果近期以封面论文的形式发表在Cell Press旗下的能源领域旗舰期刊《Joule》上(Joule1, 623–633, 2017)。

针对以上问题,德克萨斯大学奥斯汀分校的余桂华教授课题组开发了一种全部基于低共熔溶剂用作液流电池电解液的新体系,为进一步构建低成本高能量液流电池提供了全新的理念和思路。通过利用低共熔体系同时作为液流电池正极和负极的新颖设计,一种低成本和高能量密度的新型铁铝液流电池应运而生。通简单地混合氯化物和尿素,两种高浓度的低共熔溶剂可以在室温下很容易的得到。铝基低共熔溶剂的活性组分浓度高达3.2M,另外还可以实现可逆的电化学沉积和溶解而没有枝晶生成。另一方面,铁基低共熔溶剂具有成本和体积能量密度方面上的优势,另外其活性组分浓度可以达到5.5M。除了具有极高的活性物质浓度,通过合理的添加剂的筛选和使用,低共熔溶剂的粘度可以得到显著的降低,从而提高溶剂的电导率,进而实现更高能量密度和电池效率。进一步测试分析表明添加剂分子在铁基低共溶溶剂中可以实现铁配合离子的解离,从而进一步提升反应的可逆性。最终该铁铝液流电池,充放电电位在1.6/1.4V,完全充放电循环1500小时后电池容量基本没有衰减。另外,电池的体积比容量可达120Ah/L,能量密度达166Wh/L,显著高于传统的全钒液流电池(~25Wh/L)。

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图1. 基于铁和铝低共熔体系的混合液流电池设计示意图

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图2.(A)一系列铁基低共熔溶剂;铁基低共熔溶剂的(B)电导率、(C)氧化还原电位以及(D)粘度

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图3. 铁铝混合液流电池的(A)首次充放电曲线和(B)功率密度曲线

 

L. Zhang, C. Zhang, Y. Ding, K. Ramirez-Meyers, G. Yu, A Low-Cost High-Energy Hybrid Fe-Al Liquid Battery Achieved by Deep Eutectic Solvents, Joule, 2017, DOI:10.1016/j.joule.2017.08.013

 http://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(17)30038

 

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