香港中文大學Nature Energy：低溫下用于高功率密度水系氧化還原液流電池的負極電解液

01導讀

在低溫下操作水系氧化還原流電池(ARFBs)的效果不佳，這源自氧化還原活性物質的溶解度有限、電解質的凍結和反應動力學緩慢。一種基于多電子雜多酸（H₆P₂W₁₈O₆₂, HPWO）的電解液能使得水系液流電池能夠在低溫下穩定工作。與其他陽離子(Li⁺/Na⁺/K⁺)相比，HPOM中的質子(H⁺)具有更高的多金屬氧酸鹽(POM)溶解度(25°C時為0.74 M，?20°C時為0.5 M)，這是因為H⁺具有較強的溶劑化殼層，防止了沉淀。由于高溶解度和Grotthuss質子傳導機制，HPOM還表現出異常低的凝固點和高電導率。這些優點使HPOM成為高功率密度低溫ARFB應用的一種理想的選擇。

02成果掠影

香港中文大學盧怡君等設計合成了一種多電子雜多酸電解液（HPOM），其具有異常快的氧化還原動力學，低凝固點和高電子溶解度。離域電子和完全氧化的鎢可以在不改變結構的情況下進行快速的六電子反應，其室溫下電荷轉移速率常數高達6.8×10^-3cm/s。與其他陽離子(Li⁺/Na⁺/K⁺)相比，HPOM中的質子(H⁺)具有更高的多金屬氧酸鹽(POM)溶解度(25^oC時為0.74 M，?20^oC時為0.5 M) 。上述優勢使得基于HPOM的全釩液流電池(HPVBs)能夠在低溫-20^oC下，以160 mA cm^-2的電流循環超過1200 h（800次循環），展現出79.6 Ah L^-1容量卻沒有衰減，證明了低溫液流電池創紀錄的穩定性和功率密度（282.4 mW cm^-2）。在25℃時，HPVBS(流動模式)表現出優越的速率性能100 mA cm^?2至500 mA cm^?2,在100 mA cm^?2時具有高能效(81.82%)，在300 mA cm^?2時穩定循環(78.8 Ah L^-1)超過450次循環。該研究成果以“Heteropoly acid negolytes for high-power-density aqueous redox flow batteries at low temperatures”為題，發表于Nature Energy上。

03核心創新點

1、? POM陽離子的合理設計與合成；

2 、?20°C，HPOM氧化還原具有異常高的氧化還原可逆性和反應動力學。

3、HPOM在全電池環境下具有較高的穩定性。

04數據概覽

圖1 MPOM電解質在不同溫度下的物理化學性質 ? 2022 Springer Nature

a, 不同陽離子POM的紫外可見光譜

b, 不同陽離子POM電解質在?50℃~ 25℃范圍內的離子電導率

c, 質子Grotthuss機制和溶劑化離子傳導機制示意圖

d, POM電解質的凝固點與不同陽離子的POM濃度有關。

e, 光譜采用高斯函數擬合

f, HPOM濃度的函數

圖2 HPOM的電化學性能?? 2022 Springer Nature

圖3 HPOM電解液在25℃下的電化學穩定性?? 2022 Springer Nature

a, 對稱電池循環試驗

b-c, 對稱靜態電池在不同周期下的恒流電壓分布

d, 0.05 M HPOM溶液在25°C下的FTIR光譜

e, 0.1 M HPOM, 1.5 M VOSO4的HPVB靜態電池在40 mA cm?2下的循環性能

圖4 使用0.5 M HPOM (40 mL min^?1)時HPVB流電池的電化學性能?? 2022 Springer Nature

a-e, 25°CHPVB流槽的電化學性能

f-k, ?20℃下HPVB流槽的電化學性能

05成果啟示

研究展示了一種多電子雜多酸電解液HPOM，在高功率密度的低溫下顯示了異常高的電子溶解度、低凝固點和高氧化還原動力學的ARFB應用。P₂W₁₈O₆₂^6?中的質子(H⁺)與其他陽離子(Li⁺/Na⁺/K⁺)相比，HPOM適用于低溫下的大功率、高能量流電池。通過循環伏安法和RRDE研究了HPOM的反應機理和動力學，證實在25℃和?20℃下具有快速的氧化還原動力學和高可逆性。在25℃和?20℃條件下，與穩定的VOSO₄ 電解液偶聯得到的HPVBs，表現出較高的穩定性和優越的速率性能。該研究為極端寒冷條件下高功率穩定的氧化還原液流電池提供了有效的設計策略。

文獻鏈接：“Heteropoly acid negolytes for high-power-density aqueous redox flow batteries at low temperatures”（Nature Energy，2022，10.1038/s41560-022-01011-y）

文中所述如有不妥之處，歡迎評論區留言~

本文由材料人Junas編譯供稿。

本內容為作者獨立觀點，不代表材料人網立場。

未經允許不得轉載，授權事宜請聯系kefu@cailiaoren.com。