新一代液流电池储能技术研究进展
近日，中国科学院金属研究所材料腐蚀与防护中心腐蚀电化学课题组在新一代低成本全铁液流电池储能技术领域取得一系列重要进展. 在深入了解亚铁离子氧化还原反应机理的基础上，研究人员提出了以负Fe/Fe2+的相变反应为出发点的配位化学设计策略。通过引入络合剂和极性溶剂，协同提高Fe/Fe2+沉积溶解反应的可逆性和抑制析氢，实现低成本全铁液流电池的高效、稳定和长循环运行，有效突破全铁液流电池技术瓶颈，相关研究成果先后发表在Journal 的 材料 化学 A和Small。博士生宋玉玺为该论文的第一作者，唐轩为该论文的通讯作者。
全铁液流电池以中性氯化亚铁为活性物质，成本低、环境友好、能量密度高。然而，铁负极存在析氢、水解和铁枝晶团簇等问题，严重制约了铁负极和全铁液流电池的长期循环稳定性。为解决这一问题，研究人员将柠檬酸钠引入氯化亚铁水溶液中，强配体柠檬酸盐通过羧基与Fe2+离子结合形成稳定的配位结构，改变了水溶液中Fe2+离子固有的六水合物结构（图1），从而抑制水解，避免还原过程中的析氢反应，有效提高Fe/Fe2+沉积溶解反应的可逆性，组装后的全铁液流电池实现了99.3%的电流效率、70%的能量效率和100%的高容量保持率300次循环（图2），以及循环寿命增加了 11 倍。研究结果证明，配位化学设计策略可以有效改善铁正极的固有问题，为全铁液流电池实现铁正极高效沉积/溶解反应提供了新途径。相关研究工作发表在Journal 的 材料 化学 A, 2021, 9, 20354，题为 70%的能效和300次循环100%的高容量保持率（图2），循环寿命提高了11倍。研究结果证明，配位化学设计策略可以有效改善铁正极的固有问题，为全铁液流电池实现铁正极高效沉积/溶解反应提供了新途径。相关研究工作发表在Journal 的 材料 化学 A, 2021, 9, 20354，题为 70%的能效和300次循环100%的高容量保持率（图2），循环寿命提高了11倍。研究结果证明，配位化学设计策略可以有效改善铁正极的固有问题，为全铁液流电池实现铁正极高效沉积/溶解反应提供了新途径。相关研究工作发表在Journal 的 材料 化学 A, 2021, 9, 20354，题为"调整亚铁配位结构可实现高度可逆的铁阳极以延长全铁液流电池的使用寿命".
配位化学设计策略在提高全铁液流电池的循环可逆性方面显示出显着效果，但铁配位结构的氧化还原电位会在高结合能下发生偏移，一定程度上限制了全铁液流电池的高功率输出特性。为解决这一问题，研究人员进一步选择富含极性基团的极性溶剂DMSO作为正极溶液添加剂，有助于实现Fe2+离子的主要溶剂化鞘重塑和Fe2+离子的择优晶面生长（图3） ，有效抑制氢水合离子的析氢反应，促进Fe2+离子在平坦的Fe(110)晶面上优先形核，最终形成均匀、无枝晶的铁沉积形貌（图4）。"沉降壳和定向沉积物对全铁液流电池高度可逆铁阳极的类似调节".
