近日，大連化物所儲能技術研究部（DNL17）李先鋒研究員團隊在溴基多電子轉移液流電池新體系研究方面取得新進展，開發(fā)出一種新型溴基兩電子轉移反應體系，并將其應用于鋅溴液流電池中，實現(xiàn)了長壽命鋅溴液流電池的概念驗證及系統(tǒng)放大。
溴基液流電池依賴于溴離子（Br-）與溴單質（Br2）的氧化還原反應，具有資源豐富、電極電勢高，以及溶解度高等優(yōu)勢。然而，在充電過程中產生的大量Br2會對電池材料造成嚴重腐蝕，顯著降低電池的循環(huán)壽命，并對電池材料的耐腐蝕性提出了更高的要求，進一步推高了電池成本。傳統(tǒng)溴絡合劑雖然在一定程度上可以緩解這種腐蝕問題，但其形成的分相結構往往導致均勻性差，增加了系統(tǒng)復雜性。
為解決這一難題，團隊開發(fā)出一種新型的溴雙電子轉移反應路徑。團隊通過在溴電解液中引入胺類化合物作為溴清除劑，將電化學反應中產生的溴單質（Br2）轉化為溴代胺類化合物，有效降低溶液中Br2的濃度（約7 mM）。與傳統(tǒng)的單電子轉移方法（Br-到Br2）不同，該反應實現(xiàn)了從Br-到Br+的雙電子轉移，提高了電池的能量密度。同時超低的溴濃度降低了電解液腐蝕性，提高了電池壽命。
團隊進一步將這一新反應應用于鋅溴液流電池。實驗表明，得益于電解液中極低的Br2濃度，采用傳統(tǒng)非氟離子交換膜（SPEEK）組裝單電池可實現(xiàn)長期穩(wěn)定運行，降低了電池成本。在放大至5 kW級系統(tǒng)測試中，該電池在40 mA cm-2的條件下可以穩(wěn)定運行超過700個循環(huán)，能量效率超過78%。由于Br2濃度極低，循環(huán)前后電池的關鍵材料如集流體、電極和膜材料均未出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。
該工作為長壽命溴基液流電池的設計提供了新思路，為鋅溴液流電池的進一步應用推廣奠定了基礎。
相關成果以“Grid-scale Corrosion-free Zn/Br Flow Batteries Enabled by Multi-electron Transfer Reaction”為題，近日發(fā)表于《自然-能源》（Nature Energy）上。該工作的第一作者為DNL17博士研究生徐越。上述工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、中國科學院A類先導專項“基于高比例可再生能源的儲能關鍵技術與示范”等項目的支持。
