香港中文大學盧怡君Joule：用于高能量可擴展儲能的柔性固體流動電極

【引言】

流動電池（FB）成本低、可以獨立調節功率和能量的優勢，適用于電網大規模儲能。然而，傳統使用溶液電解質的液流電池能量密度較差，限制了應用場景；使用金屬電極（鋅或鋰金屬）的混合液流電池雖提高了能量密度，卻又犧牲了能量上可擴展的優勢。

本文打破液流電池泵送流體的慣例，提出并演示了一種新型流動電池，通過旋轉高能量密度固體電極材料（柔性固體流動電極）制成的柔性電極帶來輸送活性材料。本文使用磷酸鈦鋰（LTP）柔性陽極帶與碘化鋰（LiI）陰極電解液的組合，演示了一種高能量密度、能量功率完全可擴展的水性固液混合流動電池。本技術使得流動電池擺脫了電解液溶解度或固體電極可擴展性的限制，可用于改造現有的固液混合液流電池技術（例如，Zn-I₂，Zn-Br₂，Li-I₂，Li-多硫化物等），并且允許許多新型的固體電極材料應用在流動電池中。

【成果簡介】

近日，香港中文大學的盧怡君教授（通訊作者）在Joule上發表了一篇題為 “Flexible Solid Flow Electrodes for High-Energy Scalable Energy Storage”的文章。在這項工作中，研究人員提出并展示了柔性固體流動電極（SFE）在流動電池中的應用，通過柔性電極帶的流動（旋轉）傳輸活性材料，利用了固體電極高能量和高功率的優勢，最大化了儲能系統中活性材料的體積占比，同時保持了流動電池能量和功率獨立調節的優勢。

這種設計改變了活性材料的組裝和循環方式：從以往的泵送低能量密度液體溶液（圖1A）或半固態漿料（圖1B）到滾動高能柔性固態物質（圖1D）。 與液態或半固態液流電池相比，SFE電池減少了設備中非活性電解液的體積，具有更高的能量密度。此外，SFE的活性材料與電極帶緊密連接，具有優良的電接觸，這對于實現高功率是至關重要的。

SFE與混合液流電池中的沉積電極（圖1C）也有根本的不同。功率與能量的比值在使用沉積電極的液流電池中無法調節，而在具有SFE的電池系統中是可以靈活調節的。SFE電池的功率由電堆（反應區域）的大小決定，而能量容量則由柔性電極帶的面積決定。也就是說，SFE的能量容量可以在不改變電堆的尺寸的情況下自由擴展，減少了對于電極、雙極板、離子交換膜等高成本部件的需求，對降低儲能系統成本有重要意義，也允許許多新型材料和架構運用到液流電池中。例如，傳統Zn-I₂液流電池中不可擴展的鋅金屬沉積電極，可以用柔性鋅電極帶代替，使其容量完全可擴展（圖1D）。以往因為電極面容量有限，不適用于液流電池的非金屬材料（例如鋰離子，鈉離子，聚合物等），如今也可以通過SFE的方式應用于流動電池。

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【圖文導讀】

圖1流量電池配置

（A）使用可溶性活性材料的純液體FB；

（B）使用懸浮活性材料的半固體FB；

（C）使用沉積的活性材料的混合FB；

（D）使用柔性固體流動電極（SFE）的混合FB的構造，以及他們的優點和缺點

圖2固體流動電極的設計和操作原理

（A）SFE測試裝置的示意圖和充電/放電操作原理。

（B）間歇流動充放電模式下SFE上SOC變化的示意圖。

（C）連續流動充放電模式下SFE上SOC變化的示意圖。

圖3 間歇流動模式下的性能及電荷遷移效應解釋

間歇流動模式下的實驗恒電流電壓曲線

（A）LFP-SFE在0.75 mA cm^-2；

（B）LMO-SFE在0.9 mA cm^-2；

（C）間歇模式操作期間電極帶上SOC變化的示意圖。 反應區域（即浸沒在電解質中的電極帶部分）用亮黃色標記。

圖4? SFE_LFP和SFE_LMO的連續流動模式性能

（A）在0.375,0.75,1.5和3 mA cm^-2的電流密度下，連續流動模式下LFP-SFE的恒電流電壓曲線， SFE上的LFP負載為7.58 mg cm^-2。 SFE的滾動速度分別為20,40,80 cm h^-1。 另一段LFP-SFE以“靜態”（非流動）模式進行測試，曲線重疊進行比較。

（B）分別在0.9,1.8和3.6mA cm^-2的電流密度下，LMO-SFE在連續流動模式下的恒電流電壓曲線。

（C）LFP-SFE和LMO-SFE在連續流動模式下的放電極化曲線。

圖5 ?LTP-LiI固液混合流電池的原理圖和性能

（A）使用LTP-SFE的LTP-LiI固液混合流動電池的概念示意圖。

（B）LTP-LiI液流電池在連續流動模式下的極化曲線。 負電流表示充電，正電流表示放電。

（C）循環試驗期間第10,47,89,130和170循環的恒電流電壓曲線。該循環期間施加的電流密度為5 mA cm^-2。粉紅色曲線代表每8個循環一次的額外電荷補充，以間歇流動模式、5 mA cm^-2的電流進行。

（D）LTP-LiI液流電池的循環試驗。

【結論和展望】

這種方法可以應用于許多現有的低成本電極材料，為開發可擴展的大規模儲能系統提供了新平臺。未來在金屬柔性電極帶的設計中，應考慮電化學反應過程中金屬電極（如Li和Zn）的機械性能的變化。作為可能的解決方案，金屬材料可以以電沉積或機械壓制的方法復合到柔性導電基底上，例如碳或不銹鋼網，這樣的結構可承受旋轉期間的大部分拉力，同時擴展了電極表面積。近年來，鋅基液流電池的快速發展，迫切需要提高鋅負極的性能和可擴展性，應用SFE技術開發柔性固體流動鋅電極，對相關領域的發展有重要意義。在未來長時間、大規模的風電和光伏配套儲能應用中，SFE技術有廣泛的應用前景。

文獻鏈接：Flexible Solid Flow Electrodes for High-Energy Scalable Energy Storage (Joule，2019，DOI: 10.1016/j.joule.2019.05.015)

【團隊介紹】

盧怡君（Yi-Chun Lu）教授，現任香港中文大學大學副教授，港科院青年院士。2012年于麻省理工學院（MIT）獲博士學位，主要研究方向為：電化學儲能機理、電極材料的可控設計和高效新能源體系的開發等。課題組長期致力于金屬-氧/硫電池機理研究以及新型高能量液流電池材料開發。液流電池相關工作包括提出硫基半固液兩相復合液流電池， 碘-硫以及鋅-碘溴液流電池。相關研究成果發表在Joule, Energy & Environmental Science, Nature communications, Advanced Energy Materials等國際一流期刊。金屬-氧電池方面的工作包括闡釋鋰-氧電池充電過程中析氧反應（OER）的工作機理，催化劑在其中的作用機制，以及鉀-氧電池電極電解液的開發。相關研究成果發表在Nature Materials, Joule, Journal of the American Chemical Society，Angewandte Chem. Int. Ed 等國際一流期刊。

課題組鏈接：https://www.yclueeil.com/

本文由材料人編輯部高分子學術組水手供稿，材料牛編輯整理。

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