全鐵液流電池研究進(jìn)展與產(chǎn)業(yè)化方向
分類：前沿資訊
- 作者：中和儲(chǔ)能
- 發(fā)布時(shí)間：2024-02-03
【概要描述】全鐵液流電池于1981年由Hruska提出，其正負(fù)極活性物質(zhì)為不同價(jià)態(tài)的含鐵化合物，解決了電解液互串的問題。全鐵液流電池按照電解質(zhì)不同可以分為酸性全鐵液流電池和堿性全鐵液流電池，利用的是Fe(Ⅱ)/Fe(0)和Fe(Ⅲ)/ Fe(Ⅱ)兩組氧化還原對(duì)，放電過程中陽極上發(fā)生沉積的Fe(0) 向Fe(Ⅱ)的轉(zhuǎn)變，而陰極發(fā)生Fe(Ⅲ)向 Fe(Ⅱ)的轉(zhuǎn)變，充電過程為反應(yīng)的逆反應(yīng)。充電過程中，二價(jià)鐵的還原電
全鐵液流電池于1981年由Hruska提出，其正負(fù)極活性物質(zhì)為不同價(jià)態(tài)的含鐵化合物，解決了電解液互串的問題。全鐵液流電池按照電解質(zhì)不同可以分為酸性全鐵液流電池和堿性全鐵液流電池，利用的是Fe(Ⅱ)/Fe(0)和Fe(Ⅲ)/ Fe(Ⅱ)兩組氧化還原對(duì)，放電過程中陽極上發(fā)生沉積的Fe(0) 向Fe(Ⅱ)的轉(zhuǎn)變，而陰極發(fā)生Fe(Ⅲ)向 Fe(Ⅱ)的轉(zhuǎn)變，充電過程為反應(yīng)的逆反應(yīng)。充電過程中，二價(jià)鐵的還原電位在-0.44 V (vs. SHE)，這么低的還原電位勢(shì)必導(dǎo)致酸性或堿性條件下的全鐵液流電池發(fā)生嚴(yán)重的析氫反應(yīng)，并且生成的鐵可以作為析氫反應(yīng)的催化劑。強(qiáng)烈的析氫反應(yīng)會(huì)改變活性物質(zhì)的形貌，從而降低電池循環(huán)過程中的電流效率，對(duì)全鐵液流電池產(chǎn)生負(fù)面影響。 因此，有相當(dāng)?shù)难芯慷际侨ケM量降低酸性全鐵液流電池中的析氫反應(yīng)，并提高電池效率。比如，Jayathilake和Manohar等人通過向全鐵液流電池電解液中添加抗壞血酸，從而構(gòu)建在電極表面的緩沖系統(tǒng)，使得在電解液pH為2的條件下，避免了鐵以氫氧化物的形式析出，但研究也發(fā)現(xiàn)抗壞血酸與鐵離子的螯合作用會(huì)降低電極反應(yīng)速率[2]。此外，也有研究著重于對(duì)于電極及導(dǎo)電介質(zhì)的改善。比如Petek等人通過使用多壁碳納米管作為導(dǎo)電介質(zhì)，發(fā)現(xiàn)隨著電池荷電狀態(tài)的提高，可以促進(jìn)鐵在多壁碳納米管上的沉積，使得漿料的導(dǎo)電性逐漸提高，從而提高電池的電壓效率[3]。在商業(yè)化上，目前，也有部分公司通過高效的電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)控制生產(chǎn)出了可商業(yè)化應(yīng)用的全鐵液流電池。美國(guó)ESS公司開發(fā)的鐵基氧化還原液流電池采用FeCl2和KCl作為電解質(zhì)，根據(jù)此前我們對(duì)該公司的專利分析，該體系的電解液pH值需通過另一套酸堿補(bǔ)償設(shè)施來精準(zhǔn)控制在4左右，以避免溶解鐵金屬或者沉淀出Fe(OH)2。此外，為了避免高電流密度下產(chǎn)生金屬枝晶，該體系通常在低于40mA/cm2的電流密度下運(yùn)行。 堿性全鐵液流電池往往采用鐵氧化物或者鐵的有機(jī)螯合物作為負(fù)極活性物質(zhì)，由于自身活性以及穩(wěn)定性問題，放電比容量通?？刂圃诘陀诨钚晕镔|(zhì)所對(duì)應(yīng)的理論比容量的水平。并且在堿性環(huán)境中，解離出來的鐵離子產(chǎn)生的氫氧化物鈍化層會(huì)導(dǎo)致電池存在倍率性能較差的問題，同時(shí)也伴隨著與酸性條件類似的析氫反應(yīng)，從而降低電池效率。目前，研究通過將鐵的各種活性物質(zhì)與高比表面積的碳材料結(jié)合起來去提升負(fù)極的電化學(xué)活性。比如，Wang等人使用液相反應(yīng)和氣相退火的方法在石墨烯上生成了結(jié)晶型的鐵的氧化物FeOx，將FeOx/石墨烯混合物、炭黑和粘結(jié)劑混合后涂敷在泡沫鎳上制成電極，在5 mV s-1的掃描速率下得到377 mAh g-1的比容量[4]。Hang等人研究了不同類型的碳材料、鐵粉與PTFE懸浮液混合制成電極，結(jié)果發(fā)現(xiàn)使用碳納米管的電極容量最高，這是由于碳納米管的比表面積更大，生成Fe(OH)2的過程中，形成的Fe(OH)2層更薄，反應(yīng)活性更加強(qiáng)，從而提高了電極容量[5]。 Gong等以[Fe(TEOA)OH]-/[Fe-(TEOA)(OH)]2-(Fe-TEOA)和Fe(CN)63-/Fe(CN)64-(Fe-CN)為氧化還原電對(duì)做成首個(gè)全溶性全鐵液流電池，電池能量效率與傳統(tǒng)全鐵相比有了很大提升[1]。這種技術(shù)路線因?yàn)楸苊饬髓F金屬枝晶等問題，也有多家機(jī)構(gòu)在進(jìn)行商業(yè)化開發(fā)。全鐵液流電池的電化學(xué)性能
針對(duì)全鐵液流電池的工程化研究任重道遠(yuǎn)，除了電解液本身的配方與添加劑之外，還需要研究帶催化劑的電極、高阻隔性的離子交換膜、高功率密度的電堆等。中和儲(chǔ)能作為全球領(lǐng)先的液流電池關(guān)鍵材料與設(shè)備研發(fā)制造商，正在進(jìn)行商業(yè)化量產(chǎn)的催化劑電極、高阻隔性隔膜及高功率密度電堆等產(chǎn)品很好地契合了這些新型技術(shù)發(fā)展的需求。公司目前除了生產(chǎn)用于大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的32kW電堆外，也開發(fā)了一系列從3W、20W的單電池到1kW、5kW的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，適用于各種液流技術(shù)路線，近日也為一家正在進(jìn)行全鐵液流電池工程化的機(jī)構(gòu)交付了數(shù)套單電池及5kW實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的電池產(chǎn)品不僅為客戶的全鐵體系帶來了性能上的提升，也可保持測(cè)試結(jié)果的一致性，有利于后續(xù)的持續(xù)優(yōu)化，受到了客戶的高度好評(píng)。可用于全鐵液流電池的5kW標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)
參考文獻(xiàn)
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