倫敦帝國理工學院Nat. Commun.低成本雙膜結構液流電池

一、導讀

在雙碳背景引領下，對可再生能源收集技術的需求逐漸增大。伴隨著儲能技術的多元化，推動相對成熟的鋰離子電池等技術的成本持續下降和商業化應用，實現釩電池等液流電池長時儲能技術進入商業化發展初期。國際上液流電池的代表主要有4種，即鐵鉻電池、多硫化鈉/溴電池、鋅-溴體系及全釩電池。而電池結構會直接影響電池的儲能能力，雙膜結構的液流電池結構減少了“交叉問題”，減少了多硫化物離子向空氣側半電池的交叉。

二、成果掠影

今日，倫敦帝國理工學院地球科學與工程系的研究人員，報告了一種穩定且具有低成本效益的堿性混合多硫化物-空氣氧化還原液流電池，其中雙膜結構的液流電池設計緩解了硫交叉問題。展示了一種全堿性多硫化物空氣氧化還原液流電池 (PSA RFB) 系統，采用水性 PSOR/PSRR（多硫化物氧化/還原反應）和堿性 OER/ORR（析氧/氧還原反應）作為正負氧化還原電對，反應中間溶液提供OH^-，它也可以用作化學或物理過程的反應器，以提高電池設計中的性能。此外，將錳/碳催化空氣電極與硫化鎳泡沫多硫化物電極相結合，氧化還原液流電池在 50% 的充電狀態和 55 °C 下實現了最大功率密度5.8 mW cm^-2。在 1 mA cm^-2 下，80 個循環后的平均往返能量效率也達到40%。根據研究報告的性能，結合技術經濟分析表明，該項技術對能源和電力成本約為 2.5 美元/千瓦時和 1600 美元/千瓦時。本文第一作者為Yuhua Xia，研究成果以題為“A cost-effective alkaline polysulfide-air redox flow battery enabled by a dual-membrane cell architecture”發表在Nature Communications上。

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三、數據概況

圖1. 堿性多硫化物/空氣氧化還原液流電池系統示意圖 ? 2022 The Authors

a.基于單層陰離子交換膜的RFB； b.基于單層陽離子交換膜的RFB； c.基于陰離子交換膜和陽離子交換膜結合的雙膜設計的RFB。（RFB：氧化還原液流電池）

圖2. 電池電極的表征? ? 2022 The Authors

a.用于OER和ORR反應的硫化鎳泡沫電極和MnO₂基空氣電極的示意圖； b-c.商業 MnO₂ 基電極；d.泡沫鎳；e-f.泡沫鎳；g-i.硫化鎳泡沫的 SEM 圖像；j-k.硫化鎳泡沫的 XPS 核心能級光譜；l.之前和硫化后的鎳泡沫的極化測量曲線。

圖3. 多硫化物物質通過離子交換膜的擴散過程及測試內容 ? 2022 The Authors

圖4. 堿性PSA（多硫化物-空氣）RFB（氧化還原液流電池）的充電和放電循環測試 ? 2022 The Authors

圖5. 雙膜堿性PSA RFB的極化曲線測量和循環性能 ? 2022 The Authors

圖6. 多硫化物/空氣 RFB 的性能和成本比較 ? 2022 The Authors

四、成果啟示

通過這項工作，實現了堿性PSA RFB在55 °C下使用達到 5.8 mW cm^-2 的最大功率密度，高于之前使用貴金屬的最先進的 PSA RFB 系統催化劑和固態電解質隔膜。在這種堿性 PSA RFB 上進行充電和放電循環電流密度高達5 mA cm^-2。證明，雙膜結構是減輕多硫化物交叉和降低總體成本的有效設計，對于進一步開發多硫化物更具選擇性的 IEM（離子交換膜），并提高堿性電解質中的化學穩定性。這項工作還將啟發 PSA RFB 系統的設計和持續優化，以滿足可再生能源發展的長期電網規模儲能需求。

參考文獻：Xia, Y., Ouyang, M., Yufit, V. et al. A cost-effective alkaline polysulfide-air redox flow battery enabled by a dual-membrane cell architecture. Nat Commun 13, 2388 (2022).

本文由金爵供稿。