雙碳戰(zhàn)略下我國的能源結構轉型與國家能源安全，離不開清潔能源的規(guī)模化利用。2023年我國發(fā)電端新增裝機量中，以風電、光伏為主的可再生能源占比首次突破50%。因此，風光配儲已經被提升到國家發(fā)展和安全的戰(zhàn)略高度。在諸多新型儲能技術路線中，以全釩液流電池為代表的液流電池儲能技術，本質安全、可靈活部署，因此成為了長時儲能技術中的首選電化學儲能技術路線。然而，受制于釩資源釋放量的限制，現(xiàn)階段全釩液流電池產業(yè)化發(fā)展仍然面臨著成本高這一發(fā)展瓶頸。因此，研發(fā)低成本液流電池新體系新技術，是解決現(xiàn)階段液流電池產業(yè)化發(fā)展瓶頸的有效途徑。

近期，中國科學院金屬研究所腐蝕電化學課題組在新型低成本鐵基液流電池儲能技術研究領域取得了新進展。研究人員在前期全鐵液流電池研究工作基礎上（J. Mater. Chem. A,2021,9,20354;Small,2022,2204356），以鐵負極氧化還原反應可逆性為切入點，先后通過電極界面缺陷設計和極性溶劑調，成功實現(xiàn)了充放電過程中鐵單質在電極纖維表面的均勻沉積和溶解，并且進一步通過弱化水合氫鍵網絡作用，實現(xiàn)了-20℃低溫條件下電解液不凝固及電池穩(wěn)定運行，有效突破了現(xiàn)階段全鐵液流電池負極材料的技術瓶頸，相關研究結果相繼發(fā)表在Chemical Engineering Journal和Small雜志上，碩士生宋袁芳、博士生楊靜分別為論文的第一作者，李瑛研究員、唐奡研究員為論文的通訊作者。
 

全鐵液流電池以低成本氯化亞鐵作為活性物質，有效避免了正負極交叉污染，但受制于鐵負極Fe²⁺/Fe電化學反應可逆性差的制約，現(xiàn)有性能無法滿足應用要求。針對這一問題，研究人員通過在電極界面進行金屬刻蝕處理，使得電極纖維表面富含缺陷結構（圖1），有效調控了Fe²⁺離子在電極界面的沉積反應成核特性，促進了鐵沉積反應均一性及氧化還原反應動力學（圖2），并利用理論計算和仿真分析揭示了Fe²⁺在碳缺陷處的雜化作用增強機制及鐵沉積過程演化規(guī)律（圖3）。得益于此，組裝的全鐵液流電池實現(xiàn)了80 mW cm^-2的功率密度和250圈循環(huán)99%的電流效率（圖4），循環(huán)穩(wěn)定性有效提升了10倍，研究結果證明了電極界面優(yōu)化設計可有效提升鐵負極性能，為實現(xiàn)全鐵液流電池高效穩(wěn)定運行提供了新途徑，相關研究工作以“Surface Engineered Carbon Felt toward Highly Reversible Fe Anode for All-Iron Flow Batteries”為題發(fā)表于Chemical Engineering Journal,2024,487,150592。
 

電極設計策略有效的提升了全鐵液流電池的循環(huán)性能指標，但受制于水系電解液0℃凝固的制約，全鐵液流電池在高寒地區(qū)的低溫運行仍難以實現(xiàn)。弱化水分子間相互作用，降低電解液凝固點，是解決上述問題的首要途徑。針對這一問題，研究人員通過在溶液中引入極性溶劑（圖5），利用極性分子與氫鍵相互作用，成功弱化了溶液的水合氫鍵網絡（圖6），將電解液凝固點有效降低到-20℃以下，且協(xié)同提升了鐵負極電化學可逆性（圖7），首次實現(xiàn)了全電池在-20℃低溫條件下下100小時穩(wěn)定運行（圖8），研究結果為寬溫域全鐵液流電池技術產業(yè)化開發(fā)與應用推廣奠定了技術基礎，相關研究工作以“A Universal Additive Design Strategy to Modulate Solvation Structure and Hydrogen Bond Network toward Highly Reversible Fe Anode for Low-Temperature All-Iron Flow Batteries”為題發(fā)表于Small,2024,20,2307354。