近日，大連化物所儲(chǔ)能技術(shù)研究部（DNL17）李先鋒研究員團(tuán)隊(duì)在溴基多電子轉(zhuǎn)移液流電池新體系研究方面取得新進(jìn)展，開(kāi)發(fā)出一種新型溴基兩電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)體系，并將其應(yīng)用于鋅溴液流電池中，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)壽命鋅溴液流電池的概念驗(yàn)證及系統(tǒng)放大。
溴基液流電池依賴(lài)于溴離子（Br-）與溴單質(zhì)（Br2）的氧化還原反應(yīng)，具有資源豐富、電極電勢(shì)高，以及溶解度高等優(yōu)勢(shì)。然而，在充電過(guò)程中產(chǎn)生的大量Br2會(huì)對(duì)電池材料造成嚴(yán)重腐蝕，顯著降低電池的循環(huán)壽命，并對(duì)電池材料的耐腐蝕性提出了更高的要求，進(jìn)一步推高了電池成本。傳統(tǒng)溴絡(luò)合劑雖然在一定程度上可以緩解這種腐蝕問(wèn)題，但其形成的分相結(jié)構(gòu)往往導(dǎo)致均勻性差，增加了系統(tǒng)復(fù)雜性。
為解決這一難題，團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種新型的溴雙電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)路徑。團(tuán)隊(duì)通過(guò)在溴電解液中引入胺類(lèi)化合物作為溴清除劑，將電化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的溴單質(zhì)（Br2）轉(zhuǎn)化為溴代胺類(lèi)化合物，有效降低溶液中Br2的濃度（約7 mM）。與傳統(tǒng)的單電子轉(zhuǎn)移方法（Br-到Br2）不同，該反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了從Br-到Br+的雙電子轉(zhuǎn)移，提高了電池的能量密度。同時(shí)超低的溴濃度降低了電解液腐蝕性，提高了電池壽命。
團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將這一新反應(yīng)應(yīng)用于鋅溴液流電池。實(shí)驗(yàn)表明，得益于電解液中極低的Br2濃度，采用傳統(tǒng)非氟離子交換膜（SPEEK）組裝單電池可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，降低了電池成本。在放大至5 kW級(jí)系統(tǒng)測(cè)試中，該電池在40 mA cm-2的條件下可以穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)700個(gè)循環(huán)，能量效率超過(guò)78%。由于Br2濃度極低，循環(huán)前后電池的關(guān)鍵材料如集流體、電極和膜材料均未出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。
該工作為長(zhǎng)壽命溴基液流電池的設(shè)計(jì)提供了新思路，為鋅溴液流電池的進(jìn)一步應(yīng)用推廣奠定了基礎(chǔ)。
相關(guān)成果以“Grid-scale Corrosion-free Zn/Br Flow Batteries Enabled by Multi-electron Transfer Reaction”為題，近日發(fā)表于《自然-能源》（Nature Energy）上。該工作的第一作者為DNL17博士研究生徐越。上述工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院A類(lèi)先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)“基于高比例可再生能源的儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)與示范”等項(xiàng)目的支持。
