高能量密度水溶性有機(jī)液流電池的開發(fā)策略

肖文濤黃成德

(天津大學(xué)化工學(xué)院,天津 300350)

隨著社會的進(jìn)步和人口的增長,已有的能源越來越不能滿足人類的需求,而現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)和人類的不合理運用,給人類的生存條件造成了極大的傷害,環(huán)境污染現(xiàn)象嚴(yán)重,造成了諸如溫室效應(yīng)、酸雨等氣候變化,因此尋找一種高效、清潔、低成本、可持續(xù)發(fā)展的新能源動力技術(shù)已成為十分緊迫的任務(wù)。 液流儲能系統(tǒng)作為一種高效的儲能裝置,具有低成本、高效率、高循環(huán)性能、容量和功率可靈活設(shè)計等優(yōu)點[1,2],受到各國政府與大公司的重視。

液流電池(RFBs)是采用液體中的氧化還原電對作為電化學(xué)活性物質(zhì),其中研究較為成熟的全釩水系液流電池已接近產(chǎn)業(yè)化[3,4]。 然而含有高成本、高濃度、多價態(tài)金屬離子的電解質(zhì)溶液的穩(wěn)定性不盡人意。 而采用有機(jī)溶劑或懸浮溶液作為電解質(zhì)的非水體系液流電池(NRFBs),為克服水系液流電池(ARFBs)的缺點帶來了新的解決方案[5]。與ARFBs 相比,NRFBs 具有較多的優(yōu)越性:電壓窗口高、在低溫下無冰凍、電解液穩(wěn)定、可選擇的氧化還原電對范圍大。 但是目前NRFBs 的性能距離商業(yè)化的要求仍有較大的差距[6]。 其主要問題是:電活性物質(zhì)的低濃度使得電池的能量密度僅為10 Wh·L-1,有機(jī)溶液的低電導(dǎo)率造成大倍率充放電的性能差、循環(huán)壽命低和可應(yīng)用的電流密度均小于5 mA·cm-2。 在研究中人們還發(fā)現(xiàn):(1)將鋰離子電池和液流電池技術(shù)結(jié)合在一起,構(gòu)筑的新型鋰離子液流電池[7],由于其電極懸浮液的高黏度導(dǎo)致驅(qū)動機(jī)械損耗大,同時也帶來了穩(wěn)定性和安全性等問題[8];(2)有機(jī)電解液的毒性、可燃性、濕度的敏感性均大于水系電解液,給環(huán)保和成本帶來新的挑戰(zhàn)[9,10]?！?br>