伦敦帝国理工学院Nat. Commun.低成本双膜结构液流电池

一、导读

在双碳背景引领下，对可再生能源收集技术的需求逐渐增大。伴随着储能技术的多元化，推动相对成熟的锂离子电池等技术的成本持续下降和商业化应用，实现钒电池等液流电池长时储能技术进入商业化发展初期。国际上液流电池的代表主要有4种，即铁铬电池、多硫化钠/溴电池、锌-溴体系及全钒电池。而电池结构会直接影响电池的储能能力，双膜结构的液流电池结构减少了“交叉问题”，减少了多硫化物离子向空气侧半电池的交叉。

二、成果掠影

今日，伦敦帝国理工学院地球科学与工程系的研究人员，报告了一种稳定且具有低成本效益的碱性混合多硫化物-空气氧化还原液流电池，其中双膜结构的液流电池设计缓解了硫交叉问题。展示了一种全碱性多硫化物空气氧化还原液流电池 (PSA RFB) 系统，采用水性 PSOR/PSRR（多硫化物氧化/还原反应）和碱性 OER/ORR（析氧/氧还原反应）作为正负氧化还原电对，反应中间溶液提供OH^-，它也可以用作化学或物理过程的反应器，以提高电池设计中的性能。此外，将锰/碳催化空气电极与硫化镍泡沫多硫化物电极相结合，氧化还原液流电池在 50% 的充电状态和 55 °C 下实现了最大功率密度5.8 mW cm^-2。在 1 mA cm^-2下，80 个循环后的平均往返能量效率也达到40%。根据研究报告的性能，结合技术经济分析表明，该项技术对能源和电力成本约为 2.5 美元/千瓦时和 1600 美元/千瓦时。本文第一作者为Yuhua Xia，研究成果以题为“A cost-effective alkaline polysulfide-air redox flow battery enabled by a dual-membrane cell architecture”发表在Nature Communications上。

三、数据概况

图1.碱性多硫化物/空气氧化还原液流电池系统示意图© 2022 The Authors

a.基于单层阴离子交换膜的RFB； b.基于单层阳离子交换膜的RFB； c.基于阴离子交换膜和阳离子交换膜结合的双膜设计的RFB。（RFB：氧化还原液流电池）

图2.电池电极的表征© 2022 The Authors

a.用于OER和ORR反应的硫化镍泡沫电极和MnO₂基空气电极的示意图； b-c.商业 MnO₂基电极；d.泡沫镍；e-f.泡沫镍；g-i.硫化镍泡沫的 SEM 图像；j-k.硫化镍泡沫的 XPS 核心能级光谱；l.之前和硫化后的镍泡沫的极化测量曲线。

图3.多硫化物物质通过离子交换膜的扩散过程及测试内容© 2022 The Authors

图4.碱性PSA（多硫化物-空气）RFB（氧化还原液流电池）的充电和放电循环测试© 2022 The Authors

图5.双膜碱性PSA RFB的极化曲线测量和循环性能© 2022 The Authors

图6.多硫化物/空气RFB的性能和成本比较 © 2022 The Authors

四、成果启示

通过这项工作，实现了碱性PSA RFB在55 °C下使用达到 5.8 mW cm^-2的最大功率密度，高于之前使用贵金属的最先进的 PSA RFB 系统催化剂和固态电解质隔膜。在这种碱性 PSA RFB 上进行充电和放电循环电流密度高达5 mA cm^-2。证明，双膜结构是减轻多硫化物交叉和降低总体成本的有效设计，对于进一步开发多硫化物更具选择性的 IEM（离子交换膜），并提高碱性电解质中的化学稳定性。这项工作还将启发 PSA RFB 系统的设计和持续优化，以满足可再生能源发展的长期电网规模储能需求。

参考文献：Xia, Y., Ouyang, M., Yufit, V. et al. A cost-effective alkaline polysulfide-air redox flow battery enabled by a dual-membrane cell architecture. Nat Commun 13, 2388 (2022).

本文由金爵供稿。