Adv.Energy Mater.液流電池性能因電解液升級而得到飛躍提高

【引言】

液流電池（RFBs）作為電化學能量存儲器件，具有布局靈活、循環壽命長、響應時間快和電極反應簡單等優點，相比匹配度要求較高的鋰離子電池，它可以運用在耦合功率能量器件。RFBs中具有高性能離子選擇透過性的交換膜一直是研究熱點，目前會存在交叉污染和離子交換膜上的離子滲透問題，造成自放電、庫倫效率低、能量效率低等缺陷。現存的多種解決方案中，大多數正負極采用不同的電解液。如果正負極采用相同電解液，離子交叉污染的問題就可避免。

【成果簡介】

來自北京航空航天大學的盧善富和相艷教授課題組近日在Adv.Energy Mater上發表了題為An Aqueous Redox Flow Battery with a Tungsten–Cobalt Heteropolyacid as the Electrolyte for both the Anode and Cathode文章，報道了他們在液流電池電解液上的最新突破。他們使用鎢鈷雜多酸作為電解液，同時在正負極上工作，制得的器件有很高的開路電壓、電流密度和能量效率。Co在雜多酸H₆[CoW₁₂O₄₀]的中心位置，可以同時在正負極之間作為能量儲存材料和在載流子。半電池理論容量達到108 A h L^–1，用石墨氈做電極，電流密度為25 mA cm^–2，體積比能量15.4 W h L^–1獲得99%的庫倫效率和86%的能量效率。電流密度最高可達100mA cm^–2，25 mA cm^?2的電流密度時可以循環30次。

【圖文導讀】

原理圖

水溶液中H₆[CoW₁₂O₄₀]分解成[CoW₁₂O₄₀]_6–和H⁺，質子交換膜使H⁺穿過。充電時，[CoW₁₂O₄₀]^6–中的鈷在正極被可逆性氧化，鎢在負極被還原，放電時發生相反的氧化還原反應。

表1.不同液流電池的性能對標

圖1.H₆[CoW₁₂O₄₀]的電化學性能表征

ab) 0.005-m H6[CoW₁₂O₄₀] 在 0.5-m H₂SO₄?溶液中，匹配玻碳電極在不同掃描速率下的CV曲線

c) 0.4-m電解液在25, 50, 100 mA cm^–2電流密度下的電壓分布

d) 0.4-m電解液的液流電池在25, 50, 100 and then 25 mA cm^–2電流密度下的循環性能

e) Nafion212質子交換膜對VO²⁺?and [CoW₁₂O₄₀]^6–滲透性示意圖

f) 釩和H₆[CoW₁₂O₄₀]兩種液流電池自放電測試圖

圖2.H₆[CoW₁₂O₄₀]液流電池H₆[CoW₁₂O₄₀]電解液濃度和正負極之間體積比的影響

ab) 電流密度在25 mA cm^–2時，不同H₆[CoW₁₂O₄₀]濃度下液流電池電壓分布和電池效率測試圖

cd) 電流密度在25 mA cm^–2時，正負極不同體積比條件下液流電池比容量、比能量性能測試圖

圖3.電解液濃度0.8 M，正負電解液體積比為4:1的非對稱性all-H₆[CoW₁₂O₄₀]液流電池電池性能測試

a) 電流密度25 mA cm^–2時的電壓分布

b) 電流密度在25 到 100 mA cm^–2范圍內庫倫效率、能量效率測試圖

c) 電流密度25 mA cm^–2時電池循環性能測試圖

【小結】

該課題組設計了一種新型鈷–鎢雜多酸電解質應用在液流電池中，它可以不添加任何電解質條件下同時在正負極之間工作，比容量和比能量受正負極體積比和電解液濃度所影響，正負電極體積比為4:1時獲得了最好的電池性能，然而這種很有前景的氧化還原液流電池值得繼續深入研究。

原文鏈接：An Aqueous Redox Flow Battery with a Tungsten–Cobalt Heteropolyacid as the Electrolyte for both the Anode and Cathode?（Adv. Energy Mater.，2017，DOI: 10.1002/aenm.201601224）

本文由材料人編輯部新能源學術組 YueZhou 供稿。點這里加入材料人的大家庭。參與新能源話題討論請加入“材料人新能源材料交流群 422065952”，歡迎關注微信公眾號，微信搜索“新能源前線”或掃碼關注。

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