CAT蓄电池无氟质子传导膜驱动高性能、低成本铁基单液流电池实现大规模储能single bond铅单液流电池
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卡特蓄电池 发布时间：2026-04-08 17:52:04 点击： 次
通过在铁铅单液流电池（FePbSFB）中引入基于磺化聚乙砜（SPES）的无氟质子传导膜，该电池技术获得进一步突破。该膜材料不仅显著降低生产成本，同时提升电池能效，并缓解传统含氟材料造成的环境污染问题。采用最佳磺化度的SPES膜时，FePbSFB在40至20 mA cm<sup>-2</sup>额定电流密度范围内可实现86.6–92.7%的能量效率。−2，相较于先前使用的Nafion® N115膜，其性能提升了2.3%。此外，SPES膜的成本可降至34.7美元/平方米。−2其成本不足Nafion®典型价格的7%。得益于FePbSFB温和的工作条件，SPES膜还展现出优异的循环稳定性，在500次充放电循环后仍能保持性能。该SPES膜的成功应用标志着向经济型FePbSFB迈出了重要一步。电池成本分析进一步表明，FePbSFB中低成本高性能膜的成功验证，为其在大规模储能领域的应用铺平了道路，兼具本征安全性、高能效和低成本优势。
引言
近年来光伏与风电装机容量快速增长，导致电力输出波动成为不可避免的挑战，这加剧了电网运行压力[1][2]。因此需要部署大规模储能系统以提升电网可靠性与灵活性[3][4]。
由于具备功率与能量解耦、安全性高及寿命长等优势[5]，氧化还原液流电池（RFB）被视为长时储能（LDES）领域最具潜力的候选技术之一。其中，钒液流电池（VFB）是最成功的RFB类型，其技术成熟度显著优于锌溴液流电池（ZBFB）和铁铬液流电池（ICFB）等其他液流电池体系[6][7]。然而高昂的初始成本仍是阻碍其大规模应用的主要瓶颈[8]。此外，典型VFB系统的往返能量效率通常仅为65%-71%。储能系统的低效率会因必须扩大系统规模和能量损耗而显著推高其平准化储能成本（LCOS）[8]。
能源行业持续追求兼具高安全性、低成本、长寿命和高能效的电池技术，但实现这些目标仍面临重大挑战，主要瓶颈在于高昂成本。为实现电网级储能的低成本电池，研究人员正着力开发基于廉价丰富活性材料的新型电池技术[9][10]。
铁和铅是全球储量丰富的元素，其低廉的价格使得铁基和铅基电池在大规模应用方面具有潜在优势[11]。针对铁/铅基氧化还原液流电池的研发已开展大量工作，例如全溶解型全铁水系液流电池[6][7][12][13]、全铁半液流电池[14][15]、全铁非水系液流电池[16]、全铅液流电池[17]以及全溶解型铁-铅液流电池[18]。然而上述电池体系大多存在电极反应动力学迟缓、电解液不稳定、副反应和枝晶生长等问题[19][20][21]。
在前期研究中，首次报道了利用储量丰富的铁和铅构建的FePbSFB，其能量效率达到近89%[22]。%%为提升Pb/PbSO₄可逆性并延长循环寿命，研究者开发了三维多孔固态阳极[23]。%%然而上述研究均采用N115等全氟磺酸(PFSA)质子交换膜以确保足够的质子传导率和有效离子选择性，这有助于抑制Fe离子的非预期交叉。%%尽管如此，该FePbSFB的额定电流密度仍相对较低（10–40 mA cm3+与钒液流电池(VFBs)相比[24]，这意味着需要超过三倍的膜面积才能实现相同的电堆功率。因此，全氟磺酸(PFSA)膜的高成本导致整体电堆成本难以接受，这仍是该技术面临的最关键挑战之一。由此可见，开发和应用低成本膜材料对于降低系统成本、推动铁铅混合液流电池(FePbSFB)及其他新兴氧化还原液流系统的大规模商业化至关重要。−2) compared with that of VFBs [24], meaning that more than three times the membrane area would be required to achieve the same stack power. As a result, the high cost of PFSA membranes makes the overall stack cost unacceptable and remains one of the most critical challenges for this technology. Therefore, developing and applying low-cost membranes is essential to reduce system costs and to promote the large-scale commercialization of FePbSFB and other emerging redox flow systems.
此外，人们日益关注与使用相关的per由于全氟和多氟化合物可能对健康和环境造成危害[25]，开发无氟电池隔膜对于确保电化学储能技术保持环境可持续性至关重要。磺化聚乙砜（SPES）作为氧化还原液流电池中的替代性质子传导膜已被广泛研究，其成本显著低于全氟磺酸膜且易于生产[26][27][28][29]。然而，碳氢化合物基隔膜在氧化还原液流电池中应用的主要问题在于其化学稳定性[30]。实际上，隔膜寿命很大程度上取决于具体电池化学体系，碳氢聚合物隔膜在相对温和的电解液环境中通常表现更稳定。与全钒液流电池相比，本研究开发的FePbSFB系统在氧化性较弱（0.77 V vs SHE）且酸性较低（1-2 M H2SO4）的条件下运行。2因此4），使SPES膜成为一种实用且经济高效的选择。通过精确调控SPES的磺化度以平衡离子传导率与离子选择性，该隔膜可应用于使用相对温和电解液的液流电池体系（如锌铁、全铁及有机液流电池），展现出优异的性能、可靠性与长循环寿命。
