【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】在全球能源需求持續(xù)增長與化石能源儲量日益枯竭的雙重壓力下，可再生能源的規(guī)模化應(yīng)用成為了保障能源安全與應(yīng)對環(huán)境挑戰(zhàn)的關(guān)鍵。然而，可再生能源固有的間歇性引發(fā)的并網(wǎng)波動及電力消納困境，亟需發(fā)展以液流電池為代表的高效長時儲能技術(shù)。鋅碘液流電池基于鋅、碘元素豐富的自然儲量、本質(zhì)安全和高能量密度等優(yōu)勢，是新一代液流電池技術(shù)中極具發(fā)展前景的技術(shù)路線。然而，根據(jù)經(jīng)典的“硬軟酸堿”理論，鋅碘液流電池正負極電解液中形成的離子配位結(jié)構(gòu)一定程度影響了電解液穩(wěn)定性，致使其規(guī)模化應(yīng)用仍面臨技術(shù)挑戰(zhàn)。
 

　　近日，中國科學(xué)院金屬研究所腐蝕基礎(chǔ)與前沿研究部腐蝕電化學(xué)課題組唐奡研究員和李瑛研究員，在高性能鋅碘液流電池研究方面取得重要進展。研究團隊創(chuàng)新性提出鋅負極堿性電解液環(huán)境與碘正極多電子轉(zhuǎn)移路徑協(xié)同優(yōu)化策略，通過構(gòu)建Zn(OH)42−/Zn負極與I−/I2/I+正極，成功研制出開路電壓達2.385 V的鋅碘液流電池(圖1)，對發(fā)展高能量密度電池具有重要理論和實踐意義，相關(guān)成果以《A high-voltage alkaline zinc-iodine flow battery enabled by a dual-functional electrolyte additive strategy》為題，發(fā)表于《Advanced Functional Materials》，博士生楊靜為論文第一作者。
 

　　該研究在設(shè)計高電壓鋅碘液流電池基礎(chǔ)上，通過在堿性鋅負極添加同時具備含氧功能性官能團以及電荷載體的酒石酸鉀鈉，實現(xiàn)了對電解液離子結(jié)構(gòu)-電極界面?zhèn)髻|(zhì)行為的有效調(diào)控，電池輸出功率密度達到了616 mW cm−2，有效提升了22.8%，并在140 mA cm−2電密運行下實現(xiàn)了71.5%的能量轉(zhuǎn)換效率。更重要的是，2.5 M高濃度電解液可在120 mA cm−2下有效提升容量及能量密度至105.98 Ah L−1和185.18 Wh L−1(圖2)。材料表征結(jié)果表明，酒石酸鉀鈉顯著調(diào)控了鋅離子的原始配位平衡，加速了脫溶劑化過程。同時，酒石酸鉀鈉在電極表面優(yōu)先吸附形成屏蔽層，均勻誘導(dǎo)了鋅離子遷移通量，優(yōu)化了電流密度分布，克服了枝晶生長及死鋅累積的缺陷。此外，酒石酸鉀鈉通過氫鍵相互作用破壞了水分子間的原始氫鍵網(wǎng)絡(luò)，減少了電解液中自由水的數(shù)量，顯著抑制了析氫副反應(yīng)(圖3)。本研究通過理論計算與多尺度表征技術(shù)聯(lián)用，從分子-介觀-宏觀多維度揭示了界面?zhèn)髻|(zhì)過程與反應(yīng)動力學(xué)的協(xié)同優(yōu)化機制，為新一代液流電池技術(shù)中高可逆金屬負極的工程化開發(fā)與應(yīng)用提供了新的技術(shù)路徑以及理論指導(dǎo)。
 

圖1. 堿性鋅碘液流電池設(shè)計策略
 

圖2. 堿性鋅碘液流電池綜合性能
 

圖3. 酒石酸鉀鈉對電解液離子結(jié)構(gòu)以及電極界面的調(diào)控機制