香港中文大学卢怡君Joule：用于高能量可扩展储能的柔性固体流动电极

【引言】

流动电池（FB）成本低、可以独立调节功率和能量的优势，适用于电网大规模储能。然而，传统使用溶液电解质的液流电池能量密度较差，限制了应用场景；使用金属电极（锌或锂金属）的混合液流电池虽提高了能量密度，却又牺牲了能量上可扩展的优势。

本文打破液流电池泵送流体的惯例，提出并演示了一种新型流动电池，通过旋转高能量密度固体电极材料（柔性固体流动电极）制成的柔性电极带来输送活性材料。本文使用磷酸钛锂（LTP）柔性阳极带与碘化锂（LiI）阴极电解液的组合，演示了一种高能量密度、能量功率完全可扩展的水性固液混合流动电池。本技术使得流动电池摆脱了电解液溶解度或固体电极可扩展性的限制，可用于改造现有的固液混合液流电池技术（例如，Zn-I₂，Zn-Br₂，Li-I₂，Li-多硫化物等），并且允许许多新型的固体电极材料应用在流动电池中。

【成果简介】

近日，香港中文大学的卢怡君教授（通讯作者）在Joule上发表了一篇题为 “Flexible Solid Flow Electrodes for High-Energy Scalable Energy Storage”的文章。在这项工作中，研究人员提出并展示了柔性固体流动电极（SFE）在流动电池中的应用，通过柔性电极带的流动（旋转）传输活性材料，利用了固体电极高能量和高功率的优势，最大化了储能系统中活性材料的体积占比，同时保持了流动电池能量和功率独立调节的优势。

这种设计改变了活性材料的组装和循环方式：从以往的泵送低能量密度液体溶液（图1A）或半固态浆料（图1B）到滚动高能柔性固态物质（图1D）。 与液态或半固态液流电池相比，SFE电池减少了设备中非活性电解液的体积，具有更高的能量密度。此外，SFE的活性材料与电极带紧密连接，具有优良的电接触，这对于实现高功率是至关重要的。

SFE与混合液流电池中的沉积电极（图1C）也有根本的不同。功率与能量的比值在使用沉积电极的液流电池中无法调节，而在具有SFE的电池系统中是可以灵活调节的。SFE电池的功率由电堆（反应区域）的大小决定，而能量容量则由柔性电极带的面积决定。也就是说，SFE的能量容量可以在不改变电堆的尺寸的情况下自由扩展，减少了对于电极、双极板、离子交换膜等高成本部件的需求，对降低储能系统成本有重要意义，也允许许多新型材料和架构运用到液流电池中。例如，传统Zn-I₂液流电池中不可扩展的锌金属沉积电极，可以用柔性锌电极带代替，使其容量完全可扩展（图1D）。以往因为电极面容量有限，不适用于液流电池的非金属材料（例如锂离子，钠离子，聚合物等），如今也可以通过SFE的方式应用于流动电池。

【图文导读】

图1流量电池配置

（A）使用可溶性活性材料的纯液体FB；

（B）使用悬浮活性材料的半固体FB；

（C）使用沉积的活性材料的混合FB；

（D）使用柔性固体流动电极（SFE）的混合FB的构造，以及他们的优点和缺点

图2固体流动电极的设计和操作原理

（A）SFE测试装置的示意图和充电/放电操作原理。

（B）间歇流动充放电模式下SFE上SOC变化的示意图。

（C）连续流动充放电模式下SFE上SOC变化的示意图。

图3 间歇流动模式下的性能及电荷迁移效应解释

间歇流动模式下的实验恒电流电压曲线

（A）LFP-SFE在0.75 mA cm^-2；

（B）LMO-SFE在0.9 mA cm^-2；

（C）间歇模式操作期间电极带上SOC变化的示意图。 反应区域（即浸没在电解质中的电极带部分）用亮黄色标记。

图4  SFE_LFP和SFE_LMO的连续流动模式性能

（A）在0.375,0.75,1.5和3 mA cm^-2的电流密度下，连续流动模式下LFP-SFE的恒电流电压曲线， SFE上的LFP负载为7.58 mg cm^-2。 SFE的滚动速度分别为20,40,80 cm h^-1。 另一段LFP-SFE以“静态”（非流动）模式进行测试，曲线重叠进行比较。

（B）分别在0.9,1.8和3.6mA cm^-2的电流密度下，LMO-SFE在连续流动模式下的恒电流电压曲线。

（C）LFP-SFE和LMO-SFE在连续流动模式下的放电极化曲线。

图5  LTP-LiI固液混合流电池的原理图和性能

（A）使用LTP-SFE的LTP-LiI固液混合流动电池的概念示意图。

（B）LTP-LiI液流电池在连续流动模式下的极化曲线。 负电流表示充电，正电流表示放电。

（C）循环试验期间第10,47,89,130和170循环的恒电流电压曲线。该循环期间施加的电流密度为5 mA cm^-2。粉红色曲线代表每8个循环一次的额外电荷补充，以间歇流动模式、5 mA cm^-2的电流进行。

（D）LTP-LiI液流电池的循环试验。

【结论和展望】

这种方法可以应用于许多现有的低成本电极材料，为开发可扩展的大规模储能系统提供了新平台。未来在金属柔性电极带的设计中，应考虑电化学反应过程中金属电极（如Li和Zn）的机械性能的变化。作为可能的解决方案，金属材料可以以电沉积或机械压制的方法复合到柔性导电基底上，例如碳或不锈钢网，这样的结构可承受旋转期间的大部分拉力，同时扩展了电极表面积。近年来，锌基液流电池的快速发展，迫切需要提高锌负极的性能和可扩展性，应用SFE技术开发柔性固体流动锌电极，对相关领域的发展有重要意义。在未来长时间、大规模的风电和光伏配套储能应用中，SFE技术有广泛的应用前景。

文献链接：Flexible Solid Flow Electrodes for High-Energy Scalable Energy Storage (Joule，2019，DOI: 10.1016/j.joule.2019.05.015)

【团队介绍】

卢怡君（Yi-Chun Lu）教授，现任香港中文大学大学副教授，港科院青年院士。2012年于麻省理工学院（MIT）获博士学位，主要研究方向为：电化学储能机理、电极材料的可控设计和高效新能源体系的开发等。课题组长期致力于金属-氧/硫电池机理研究以及新型高能量液流电池材料开发。液流电池相关工作包括提出硫基半固液两相复合液流电池， 碘-硫以及锌-碘溴液流电池。相关研究成果发表在Joule, Energy & Environmental Science, Nature communications, Advanced Energy Materials等国际一流期刊。金属-氧电池方面的工作包括阐释锂-氧电池充电过程中析氧反应（OER）的工作机理，催化剂在其中的作用机制，以及钾-氧电池电极电解液的开发。相关研究成果发表在Nature Materials, Joule, Journal of the American Chemical Society，Angewandte Chem. Int. Ed 等国际一流期刊。

课题组链接：https://www.yclueeil.com/

本文由材料人编辑部高分子学术组水手供稿，材料牛编辑整理。

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