双碳战略下我国的能源结构转型与国家能源安全，离不开清洁能源的规模化利用。2023年我国发电端新增装机量中，以风电、光伏为主的可再生能源占比首次突破50%。因此，风光配储已经被提升到国家发展和安全的战略高度。在诸多新型储能技术路线中，以全钒液流电池为代表的液流电池储能技术，本质安全、可灵活部署，因此成为了长时储能技术中的首选电化学储能技术路线。然而，受制于钒资源释放量的限制，现阶段全钒液流电池产业化发展仍然面临着成本高这一发展瓶颈。因此，研发低成本液流电池新体系新技术，是解决现阶段液流电池产业化发展瓶颈的有效途径。
近期，中国科学院金属研究所腐蚀电化学课题组在新型低成本铁基液流电池储能技术研究领域取得了新进展。研究人员在前期全铁液流电池研究工作基础上（J. Mater. Chem. A,2021,9,20354;Small,2022,2204356），以铁负极氧化还原反应可逆性为切入点，先后通过电极界面缺陷设计和极性溶剂调，成功实现了充放电过程中铁单质在电极纤维表面的均匀沉积和溶解，并且进一步通过弱化水合氢键网络作用，实现了-20℃低温条件下电解液不凝固及电池稳定运行，有效突破了现阶段全铁液流电池负极材料的技术瓶颈，相关研究结果相继发表在Chemical Engineering Journal和Small杂志上，硕士生宋袁芳、博士生杨静分别为论文的第一作者，李瑛研究员、唐奡研究员为论文的通讯作者。
全铁液流电池以低成本氯化亚铁作为活性物质，有效避免了正负极交叉污染，但受制于铁负极Fe2+/Fe电化学反应可逆性差的制约，现有性能无法满足应用要求。针对这一问题，研究人员通过在电极界面进行金属刻蚀处理，使得电极纤维表面富含缺陷结构（图1），有效调控了Fe2+离子在电极界面的沉积反应成核特性，促进了铁沉积反应均一性及氧化还原反应动力学（图2），并利用理论计算和仿真分析揭示了Fe2+在碳缺陷处的杂化作用增强机制及铁沉积过程演化规律（图3）。得益于此，组装的全铁液流电池实现了80 mW cm-2的功率密度和250圈循环99%的电流效率（图4），循环稳定性有效提升了10倍，研究结果证明了电极界面优化设计可有效提升铁负极性能，为实现全铁液流电池高效稳定运行提供了新途径，相关研究工作以“Surface Engineered Carbon Felt toward Highly Reversible Fe Anode for All-Iron Flow Batteries”为题发表于Chemical Engineering Journal,2024,487,150592。
电极设计策略有效的提升了全铁液流电池的循环性能指标，但受制于水系电解液0℃凝固的制约，全铁液流电池在高寒地区的低温运行仍难以实现。弱化水分子间相互作用，降低电解液凝固点，是解决上述问题的首要途径。针对这一问题，研究人员通过在溶液中引入极性溶剂（图5），利用极性分子与氢键相互作用，成功弱化了溶液的水合氢键网络（图6），将电解液凝固点有效降低到-20℃以下，且协同提升了铁负极电化学可逆性（图7），首次实现了全电池在-20℃低温条件下下100小时稳定运行（图8），研究结果为宽温域全铁液流电池技术产业化开发与应用推广奠定了技术基础，相关研究工作以“A Universal Additive Design Strategy to Modulate Solvation Structure and Hydrogen Bond Network toward Highly Reversible Fe Anode for Low-Temperature All-Iron Flow Batteries”为题发表于Small,2024,20,2307354。
图2. （a-d）电极缺陷与成分表征；（e-g）电极电化学测试；（h）铁沉积形貌
图3. （a-d）电极界面反应理论计算；（e）铁沉积反应有限元仿真；（f）沉积形貌
图4. （a）对称电池实验；（b-f）全电池倍率性能与长期循环实验
图5. (a-c) 23种极性溶剂的溶解自由能、HOMO轨道、偶极矩、静电势计算;(d)极性溶剂成本分析
图6. （a）低温溶液状态；（b）NMR分析；(c-h) Raman分析；（i）溶液氢键组成分析；（j-l）氢键数量分子动力学计算
图7. （a）Fe2+溶剂化结构分子动力学计算；（b）铁沉积形貌分析；（c）铁沉积有限元仿真分析
图8. （a）低温全铁液流电池功率密度与电压曲线；（b）低温电池循环与倍率性能
原文始发于微信公众号（中国科学院金属研究所）：【进展】新型低成本铁基液流电池技术研究取得新进展
