在全球能源需求持續(xù)增長與化石能源儲(chǔ)量日益枯竭的雙重壓力下，可再生能源的規(guī)?；瘧?yīng)用成為了保障能源安全與應(yīng)對(duì)環(huán)境挑戰(zhàn)的關(guān)鍵。然而，可再生能源固有的間歇性引發(fā)的并網(wǎng)波動(dòng)及電力消納困境，亟需發(fā)展以液流電池為代表的高效長時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)。鋅碘液流電池基于鋅、碘元素豐富的自然儲(chǔ)量、本質(zhì)安全和高能量密度等優(yōu)勢，是新一代液流電池技術(shù)中極具發(fā)展前景的技術(shù)路線。然而，根據(jù)經(jīng)典的“硬軟酸堿”理論，鋅碘液流電池正負(fù)極電解液中形成的離子配位結(jié)構(gòu)一定程度影響了電解液穩(wěn)定性，致使其規(guī)模化應(yīng)用仍面臨技術(shù)挑戰(zhàn)。
近日，中國科學(xué)院金屬研究所腐蝕基礎(chǔ)與前沿研究部腐蝕電化學(xué)課題組唐奡研究員和李瑛研究員，在高性能鋅碘液流電池研究方面取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性提出鋅負(fù)極堿性電解液環(huán)境與碘正極多電子轉(zhuǎn)移路徑協(xié)同優(yōu)化策略，通過構(gòu)建Zn(OH)42?/Zn負(fù)極與I?/I2/I+正極，成功研制出開路電壓達(dá)2.385 V的鋅碘液流電池（圖1），對(duì)發(fā)展高能量密度電池具有重要理論和實(shí)踐意義，相關(guān)成果以《A high-voltage alkaline zinc-iodine flow battery enabled by a dual-functional electrolyte additive strategy》為題，發(fā)表于《Advanced Functional Materials》，博士生楊靜為論文第一作者。
該研究在設(shè)計(jì)高電壓鋅碘液流電池基礎(chǔ)上，通過在堿性鋅負(fù)極添加同時(shí)具備含氧功能性官能團(tuán)以及電荷載體的酒石酸鉀鈉，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電解液離子結(jié)構(gòu)-電極界面?zhèn)髻|(zhì)行為的有效調(diào)控，電池輸出功率密度達(dá)到了616 mW cm?2，有效提升了22.8%，并在140 mA cm?2電密運(yùn)行下實(shí)現(xiàn)了71.5%的能量轉(zhuǎn)換效率。更重要的是，2.5 M高濃度電解液可在120 mA cm?2下有效提升容量及能量密度至105.98 Ah L?1和185.18 Wh L?1（圖2）。材料表征結(jié)果表明，酒石酸鉀鈉顯著調(diào)控了鋅離子的原始配位平衡，加速了脫溶劑化過程。同時(shí)，酒石酸鉀鈉在電極表面優(yōu)先吸附形成屏蔽層，均勻誘導(dǎo)了鋅離子遷移通量，優(yōu)化了電流密度分布，克服了枝晶生長及死鋅累積的缺陷。此外，酒石酸鉀鈉通過氫鍵相互作用破壞了水分子間的原始?xì)滏I網(wǎng)絡(luò)，減少了電解液中自由水的數(shù)量，顯著抑制了析氫副反應(yīng)（圖3）。本研究通過理論計(jì)算與多尺度表征技術(shù)聯(lián)用，從分子-介觀-宏觀多維度揭示了界面?zhèn)髻|(zhì)過程與反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的協(xié)同優(yōu)化機(jī)制，為新一代液流電池技術(shù)中高可逆金屬負(fù)極的工程化開發(fā)與應(yīng)用提供了新的技術(shù)路徑以及理論指導(dǎo)。
圖1. 堿性鋅碘液流電池設(shè)計(jì)策略
圖2. 堿性鋅碘液流電池綜合性能
圖3. 酒石酸鉀鈉對(duì)電解液離子結(jié)構(gòu)以及電極界面的調(diào)控機(jī)制
