锌-碘液流CAT蓄电池的进展与挑战：从储能机制到关键组件

随着对间歇性天然动力需求的日益增长，为了充分利用可再生电力资源，越来越需求大规模、长时储能体系。Zinc‑iodine redox flow batteries 因其明显的能量密度和本质安全性，被以为是极具远景的下一代大规模储能体系之一。环保性，且单位能量存储本钱低。但是，zinc‑iodine flow batteries 的开展仍受限于碘化物可用性低、碘化物穿梭效应以及锌枝晶问题。遗憾的是，目前尚缺乏一篇可以结合正负反响相互作用、说明各要害组分对功能影响的电池全体总述。本作业总结了解决上述问题的策略，包括定制电解质成分、改性电极和膜特性，以及规划全体体系装置。此外，文中还阐释了相关机制，有助于开发具有高能量密度和长寿命的高功能 zinc‑iodine flow batteries 规划计划。

导言

因为二氧化碳排放引起的严峻温室效应，迫切需求清洁动力来完成电网脱碳[1,2]。近年来，太阳能和风能等可再生动力凭借其低本钱、清洁无污染的优势得到了快速开展[3,4]。但是，它们固有的间歇性和不稳定性使得发电难以直接并入现有电网[[5], [6], [7], [8]]。大规模储能体系，尤其是电化学储能体系，是解决上述问题的适宜计划[[9], [10], [11], [12], [13]]。氧化复原液流电池（RFB）是最具本钱效益的储能体系之一，具有功率与能量解耦的明显优势[14,15,16,17,18,19,20,21,22]。RFB体系具有独特的结构，包括电池堆、储能罐和循环体系[23]。其功率由电池堆的巨细和数量决议，而能量则取决于储能罐中电解质的体积[24,25]。这种规划使得能量的增加不会献身电池组规定的功率，并且可以承受兆瓦时级别的能量存储和数十小时的接连放电，这有利于应对不稳定的新动力电力体系[[26], [27], [28]]。此外，RFBs还具有以下长处：高效率、可运送性以及运行灵活性
尽管取得了诸多开展，锌基液流电池的能量密度仍有进步空间[62]。进步能量密度需求高浓度的电活性物种、高作业电压以及低电解质体积因子[45,63]。传统上，正负极别离运用两种不同的氧化复原对作为电活性物种，在这种情况下，该电池的体积因子为2。为了下降整个电池的体积因子，若要运用单一化合物作为电解质，则需求一起具有氧化复原活性的阳离子和阴离子物种，且至少有一种离子作为电荷载体[64]。目前，电解质不再需求非活性离子，可完成更低的体积因子值1，然后带来更高的能量密度[65]。值得注意的是，当液流电池中的跨膜载体不参与储能反响时，计算能量密度需考虑正负南北极一切电解质的体积。在这种情况下，液流电池电解质的体积能量密度单位界说为Wh/L。
走运的是，卤化锌盐刚好满足上述条件，可作为活动电池体系中的双极电解质。锌多卤化物活动电池凭借其高能量密度、无强酸且低本钱的优势，成为各种储能使用中极具远景的候选计划[66]。锌-氯和锌-溴RFBs别离在1921年和1977年得到验证[67]，而锌-碘RFB由Li等人于2015年提出[66]。但是，锌-氯活动电池面对液相与气相一起参与反响以及Cl₂/Cl⁻反响动力学缓慢的问题[68]。锌-溴活动电池的开展也受到腐蚀性Br₂蒸汽发生的限制[69]。与溴和氯引起的问题不同，碘因其在环境温度下呈固体状态，且氧化复原电位刚好坐落水的电化学窗口之间，成为最具有远景的卤素之一[70]。此外，正极反响触及的氧化复原对为I₃⁻/I⁻（相对于SHE为0.536 V），其可逆性更好且电子转移速率比其他卤素元素更快[66]。基于上述考虑，锌-碘活动电池（ZIFB）是一种有望应对环境挑战并满足高能量密度储能体系需求的电化学储能体系。它有望完成活动电池高能量密度的突破[71,72]。但是，严峻
针对当前碘基电池的研究现状与开展，Zhou等人回忆了静态水系锌-碘电池的开展开展，并得出结论以为卤素具有成为锌基电池主流正极材料的潜力[74]；Zhi等人聚焦于金属-碘和金属-溴电池，总结了储能机制的前沿开展，并讨论了新兴的金属-碘/溴电池[75]。但是，以往的总述主要会集在静态电池上，因为活动电池与非活动电池在储能机制上存在根本差异，这使得辅导ZIFBs的开展变得困难。例如，在活动电池中，生成的I₂需求转化为高溶解度的I₃⁻，以防止单质碘在电极外表堆积并阻断电解液传输通道；但在静态电池中，正极通常具有强吸附性，以将碘限制住然后防止穿梭效应。此外，活动的电解液会重新散布锌外表的离子，决议锌的堆积形貌，从而影响电池的循环稳定性。直到2021年，Wang等人专注于ZIFBs中的I⁻/I₃⁻氧化复原化学，总结了优化电极和电解质的办法以增强氧化复原动力学和电池功能[76]。尽管取得了这些开展，但ZIFBs仍是包括电极等组成的杂乱体系。
因而，本文对过去十年间ZIFBs的要害组成部分和运行条件进行了全面的概述。结合最新效果，针对电极、电解质、隔膜和流道结构，总结了突出的对立及各种可行的解决计划。图1扼要总结了近年来进步ZIFB功能的技能办法。本总述首要扼要介绍反响原理及ZIFB中存在的问题；随后回忆近年来电解质、电极和隔膜的开展现状；最终讨论ZIFB面对的挑战与未来开展方向，为未来高能量密度液流电池储能技能的研究提供思路。