【能源】新型铝基低成本高能量密度的液流电池

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近些年来，绿色、洁净可持续能源的发展得到人们的广泛重视，然而由于可再生能源的间歇性和不稳定性，寻求高效、稳定、低成本和环境友好的能源存储系统成为当前急需解决的问题。液流电池（redox flow batteries）具有独立的容量和功率控制单元，在系统设计、选址上更加灵活，且能量的存储和释放不涉及材料的相变和离子嵌入/脱出，具有反应速率常数大、电池的寿命更长及安全性更高等特点，这使得液流电池成为大规模储能技术应用中最为重要的技术之一。而在传统水系液流电池中，受制于水的分解电压，电池工作电压低，能量密度受到限制，与此同时全球钒资源储量有限导致钒矿价格较高，强酸性电解液带来的安全隐患和对储液罐的腐蚀制约着全钒液流电池的广泛应用。

针对这些问题，德克萨斯大学奥斯汀分校的余桂华教授课题组与苏州大学的赵宇教授合作率先提出了一种新型的铝基液流电池。众所周知，金属铝是地壳中储量最丰富的金属元素，其体积比容量达8.04 Ah•cm^–3，为锂的4倍；质量比容量为2.9 Ah•g^-1，略低于锂但远高于钠。该团队开发了一种铝基低共溶溶剂用作液流电池的负极电解液，该铝基低共溶溶剂不仅结合了金属铝在成本和体积能量密度方面的优势，而且溶剂中氧化还原活性的组分浓度高达3.2 M。体系中添加适量的弱极性有机溶剂有助于降低共溶溶剂的粘度，提高溶剂的电导率，从而实现更高的能量密度和电池效率。进一步的测试分析表明，该铝基低共溶溶剂能够实现铝的可逆沉积，并且反应过程中没有枝晶生成，提高了电流效率和电池的安全性。电化学测试表明，与I₃^-/I^-配对组装的全电池，充放电电位在1.69/1.34 V，80圈完全充放电循环后电池容量依然保持在92%以上。Al-I₂电池的体积比容量可达145 Ah•L^-1，能量密度达189 Wh•L^-1。而在Al-Br₂ 体系中，电池工作电压提升到2.0 V，理论能量密度可达200 Wh•L^-1。

该研究工作提出了一种基于低共溶溶剂的储能电池新方向，同时为构建高能量的液流电池提供新的探索思路。这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition上。余桂华教授课题组专注于从化学的角度来设计新型液流锂电池，综合化学、材料科学和能源科学的跨学科研究，包括通过化学合成对活性物质的物理、化学性能进行优化，结合分子水平的电化学反应机理和反应动力学研究，辅以高性能的理论计算模拟，发展了一系列新型的水系、有机体系液流电池。在该领域取得了一系列的前沿研究进展，相关工作发表在Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.、Chem、Joule、Nano Lett. 等期刊上。基于上述一系列工作，余桂华教授应邀在顶级化学综述Chemical Society Reviews 上发表两篇相关综述，并对该领域进行总结与展望。

该论文作者为：Dr. Changkun Zhang, Yu Ding, Leyuan Zhang, Xuelan Wang, Prof. Yu Zhao, Prof. Xiaohong Zhang, Prof. Guihua Yu

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

A Sustainable Redox-Flow Battery with an Aluminum-Based, Deep-Eutectic-Solvent Anolyte

Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 7454, DOI: 10.1002/anie.201703399

导师介绍

赵宇

http://www.x-mol.com/university/faculty/18406

余桂华

http://www.x-mol.com/university/faculty/37838

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