Adv.Energy Mater.液流电池性能因电解液升级而得到飞跃提高

【引言】

液流电池（RFBs）作为电化学能量存储器件，具有布局灵活、循环寿命长、响应时间快和电极反应简单等优点，相比匹配度要求较高的锂离子电池，它可以运用在耦合功率能量器件。RFBs中具有高性能离子选择透过性的交换膜一直是研究热点，目前会存在交叉污染和离子交换膜上的离子渗透问题，造成自放电、库伦效率低、能量效率低等缺陷。现存的多种解决方案中，大多数正负极采用不同的电解液。如果正负极采用相同电解液，离子交叉污染的问题就可避免。

【成果简介】

来自北京航空航天大学的卢善富和相艳教授课题组近日在Adv.Energy Mater上发表了题为An Aqueous Redox Flow Battery with a Tungsten–Cobalt Heteropolyacid as the Electrolyte for both the Anode and Cathode文章，报道了他们在液流电池电解液上的最新突破。他们使用钨钴杂多酸作为电解液，同时在正负极上工作，制得的器件有很高的开路电压、电流密度和能量效率。Co在杂多酸H₆[CoW₁₂O₄₀]的中心位置，可以同时在正负极之间作为能量储存材料和在载流子。半电池理论容量达到108 A h L^–1，用石墨毡做电极，电流密度为25 mA cm^–2，体积比能量15.4 W h L^–1获得99%的库伦效率和86%的能量效率。电流密度最高可达100mA cm^–2，25 mA cm⁻²的电流密度时可以循环30次。

【图文导读】

原理图

水溶液中H₆[CoW₁₂O₄₀]分解成[CoW₁₂O₄₀]_6–和H⁺，质子交换膜使H⁺穿过。充电时，[CoW₁₂O₄₀]^6–中的钴在正极被可逆性氧化，钨在负极被还原，放电时发生相反的氧化还原反应。

表1.不同液流电池的性能对标

图1.H₆[CoW₁₂O₄₀]的电化学性能表征

ab) 0.005-m H6[CoW₁₂O₄₀] 在 0.5-m H₂SO₄ 溶液中，匹配玻碳电极在不同扫描速率下的CV曲线

c) 0.4-m电解液在25, 50, 100 mA cm^–2电流密度下的电压分布

d) 0.4-m电解液的液流电池在25, 50, 100 and then 25 mA cm^–2电流密度下的循环性能

e) Nafion212质子交换膜对VO²⁺ and [CoW₁₂O₄₀]^6–渗透性示意图

f) 钒和H₆[CoW₁₂O₄₀]两种液流电池自放电测试图

图2.H₆[CoW₁₂O₄₀]液流电池H₆[CoW₁₂O₄₀]电解液浓度和正负极之间体积比的影响

ab) 电流密度在25 mA cm^–2时，不同H₆[CoW₁₂O₄₀]浓度下液流电池电压分布和电池效率测试图

cd) 电流密度在25 mA cm^–2时，正负极不同体积比条件下液流电池比容量、比能量性能测试图

图3.电解液浓度0.8 M，正负电解液体积比为4:1的非对称性all-H₆[CoW₁₂O₄₀]液流电池电池性能测试

a) 电流密度25 mA cm^–2时的电压分布

b) 电流密度在25 到 100 mA cm^–2范围内库伦效率、能量效率测试图

c) 电流密度25 mA cm^–2时电池循环性能测试图

【小结】

该课题组设计了一种新型钴–钨杂多酸电解质应用在液流电池中，它可以不添加任何电解质条件下同时在正负极之间工作，比容量和比能量受正负极体积比和电解液浓度所影响，正负电极体积比为4:1时获得了最好的电池性能，然而这种很有前景的氧化还原液流电池值得继续深入研究。

原文链接：An Aqueous Redox Flow Battery with a Tungsten–Cobalt Heteropolyacid as the Electrolyte for both the Anode and Cathode （Adv. Energy Mater.，2017，DOI: 10.1002/aenm.201601224）

本文由材料人编辑部新能源学术组 YueZhou 供稿。点这里加入材料人的大家庭。参与新能源话题讨论请加入“材料人新能源材料交流群 422065952”，欢迎关注微信公众号，微信搜索“新能源前线”或扫码关注。

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