中新網(wǎng)大連12月22日電 (記者 楊毅)記者22日從中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所獲悉，該所研究員李先鋒團隊近日在溴基多電子轉(zhuǎn)移液流電池新體系研究方面取得了新進(jìn)展。團隊成功開發(fā)出一種新型溴基兩電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)體系，實現(xiàn)了長壽命鋅溴液流電池的概念驗證及系統(tǒng)放大。相關(guān)成果發(fā)表于《自然-能源》。
長壽命多電子轉(zhuǎn)移溴基液流電池示意圖。大連化物所供圖溴基液流電池依賴于溴離子(Br-)與溴單質(zhì)(Br2)的氧化還原反應(yīng)，具有資源來源廣、電極電勢高以及溶解度高等優(yōu)勢。然而，在充電過程中產(chǎn)生的大量溴單質(zhì)會對電池材料造成嚴(yán)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(jìn)一步推高了電池成本。傳統(tǒng)溴絡(luò)合劑雖然在一定程度上可以緩解腐蝕問題，但其形成的分相結(jié)構(gòu)往往導(dǎo)致體系均勻性差，增加了系統(tǒng)復(fù)雜性。
為解決這一難題，團隊開發(fā)出一種新型溴雙電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)路徑。通過在溴電解液中引入連接吸電子基團的胺類化合物作為溴清除劑，他們發(fā)現(xiàn)電化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的溴單質(zhì)可以轉(zhuǎn)化為溴代胺類化合物，有效降低溶液中溴單質(zhì)的濃度。與傳統(tǒng)的單電子轉(zhuǎn)移方法不同，該反應(yīng)實現(xiàn)了從溴離子到Br⁺(溴代胺類化合物)的雙電子轉(zhuǎn)移，顯著提高了電池的能量密度。同時超低的溴單質(zhì)濃度大幅度降低了電解液腐蝕性，提高了電池壽命。
團隊進(jìn)一步將這一新反應(yīng)應(yīng)用于鋅溴液流電池。實驗表明，采用廉價且耐腐蝕性較差的SPEEK(磺化聚醚醚酮)膜，電池仍可實現(xiàn)長期穩(wěn)定運行。在放大至5kW級的系統(tǒng)測試中，該電池在40mA·cm-2(每平方厘米面積上通過的電流強度為40毫安)的條件下可以穩(wěn)定運行超過700個循環(huán)，總壽命超過1400小時，能量效率超過78%。由于溴單質(zhì)濃度極低，循環(huán)前后電池的關(guān)鍵材料如集流體、電極與隔膜均未出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，進(jìn)一步驗證了電解液的無腐蝕性。
該工作為長壽命溴基液流電池的設(shè)計提供了全新的思路，為鋅溴液流電池的進(jìn)一步應(yīng)用推廣奠定了基礎(chǔ)。(完)