一种电极上具有固态活性储能物质的高体积比容量混合液流CAT蓄电池

氧化复原反响液流电池在大规模储能体系范畴获得了广泛关注，这归功于其安全特性、环境可持续性以及功率与容量解耦的共同能力发电来自储能范畴。但是，有限的电压和能量密度的液流电池对其进一步开展构成应战。在本研讨中，我们提出了一种新式混合活动电池包含Ni(OH)2和储氢合金在Fe-DHPS电极上别离选用合金资料液流电池。这种混合型液流电池在提高全体容量的一起，有用缓解了因向电解液储罐引进固态活性物质而常见的极化加重现象。此外，该规划还展示出体积比60 Ah L 的容量−1和能量密度65 瓦时/升−1此外，这些电池展示出在60 毫安/厘米电流密度下循环100 次的能力−2每日容量衰减率为0.3745%。当DHPS浓度为 %% DHPS当达到理论溶解度时，体积比容量可高达120 Ah L−1这种创新式液流电池经过在电极上负载固态活性物质，为大规模−1储能体系energy storage systems.

图文摘要

经过将镍氢电池的正负极资料别离整合至Fe-DHPS对应电极中，开发出一种具有高能量密度功能的新式混合液流电池液流电池.
风能、太阳能等可再生能源受环境和地理条件限制，存在电力输出不接连、不稳定等问题[[1], [2], [3], [4]]。开展大规模储能体系对有用使用此类间歇性可再生能源电力、提高发电接连性与稳定性具有要害意义[[5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13]]。与传统的锂离子/钠离子电池比较，氧化复原液流电池具有显著优势，包含安全性高、环境友好、本钱低廉、发电与储能解耦以及功率密度可调等特性。这些优势使得液流电池在大规模储能运用中极具远景[[14], [15], [16]]。但是，因为氧化复原活性物质在溶剂中的溶解度有限，其仍面临能量密度较低的技术应战[[17], [18], [19], [20]]。
为解决上述问题，研讨人员聚焦于电解质改性与固态活性物质的增加。在电解质改性方面，许多学者经过引进Li、Na及NH4等相应盐类，成功将K3[Fe(CN)6]等无机氧化复原活性物质的溶解度从0.76 M提高至2.30 M。4Fe(CN)6%%+%% +作为支持电解质或运用锂盐代替4+Fe(CN)4%% 6Fe(CN)4 , 和 (NH6Fe(CN)4)4选用离子交换树脂[[21], [22], [23]]。对于水性有机氧化复原活性物质，经过引进磺酸基、酚羟基和羧酸基等各类增溶基团，可改善有机分子的溶解性[[8,[24], [25], [26], [27]]。关于固体活性物质的增加，研讨人员最初将固体活性物质与导电炭黑颗粒参加电解液中，形成半固态液流电池[28,29]或浆料液流电池[30]。6近年来呈现了单分子氧化复原靶向（SMRT）反响概念，经过选用电位匹配的储能资料来提高容量。将固态储能资料装载于液体储罐中，使用能斯特方程中液态介质在充放电进程中浓度变化导致的电压差，促使液态介质与固态储能资料间发生自发的化学反响。这一进程实现了储能资料内部能量的可逆存储与开释，显著提高了液流电池的能量密度[[31], [32], [33], [34], [35], [36], [37]]。例如，薛夏等人[38]合成了一种水不熔性熔融吩嗪衍生物——1,2:3,4-二苯并吩嗪（DBPZ），将其作为体积增效剂与苯并对羟基苯基吩嗪-7/8-羧酸(BHPC)与阴极电解液K[Fe(CN)]。所制备的DBPZ阳极氧化BHPC//K4[Fe(CN)6]液流电池在20 mA cm电流密度下表现出显著提高的容量与优异的循环耐久性4但是，固态活性物质与液态介体之间的化学反响速率较慢，导致电池在高电流密度下呈现显著极化现象，因此必须在较低电流密度（小于30 mA cm⁻²）下运行。6然后限制了其在大规模储能体系中的进一步开展。−2. However, the slow chemical reaction rate between the solid active substance and the liquid mediator results in substantial battery polarization at high current densities, necessitating operation at lower current densities (less than 30 mA cm−2) and thereby restricting its further advancement in large-scale energy storage systems.
在水系液流电池体系中，Fe(CN)63−/Fe(CN)64−因为其安全性高、本钱低廉及稳定性优异，7,8-二羟基吩嗪-2-磺酸（DHPS）被广泛用作正极活性资料。该化合物因具有低氧化复原电位和高溶解度（1.4 M）特性，在液流电池范畴展示出巨大运用潜力。因此，以铁氰化钾为正极资料、DHPS为负极资料的Fe-DHPS液流电池体系被视为极具开展远景的电池体系。镍氢（Ni/MH）电池因具备高功率密度、优异倍率功能、安全特性及环境友好性而被广泛运用[[39], [40], [41], [42], [43], [44], [45]]。此外，Ni/MH电池的电极资料具有高能量密度特点，其与液流电池技术的交融估计将显著提高液流电池的能量密度。
本研讨选用Ni(OH)22与储氢合金(LaNi5将固体活性物质（而非置于储液罐中）直接负载于Fe/DHPS液流电池电极上的战略，不只提高了电池全体容量，更有用缓解了电解液储罐增加固态活性物质导致的显著电池极化问题。经过多种电化学与资料表征手法，我们体系研讨了正负极两侧发生的化学与电化学反响进程，并阐明了固态活性物质引进提高电池容量的作用机制。相较于传统向液体储罐增加固态活性物质的办法，该战略可习惯更高电流密度工况，具有更宽广的运用远景。