液流电池中的扩散

什么是液流电池?液流电池是一种极具潜力的大规模长时储能技术，对于存储太阳能和风能等可再生能源起着关键作用。 传统的全钒液流电池目前处在产业化推广阶段，但电解液初始投资成本相对较高。 近年来，液流电池技术的基础研究逐渐转向开发低成本、高性能的体系，例如水系有机液流电池、多硫化物、碱性锌铁液流电池等。 水系有机液流电池使用有机分子作为活性材料，具有可调性强、低毒性和资源丰富的优点。 而碱性锌铁液流电池则利用廉价且易得的材料，实现了高能量密度和长循环寿命。 不过这些新型液流电池体系采用不同的活性物质，需要开发高电导率高选择性的离子交换膜。. 全钒液流电池有哪些优点?全钒液流电池具有高能效、循环寿命长、响应时间短等特点，被认为是最有前途的大型电源之一。 全钒液流电池的优点是它们使用了四种不同的氧化态，阴极侧的V 4+ /V 5+ 和阳极侧的V 2+ /V 3+，从而减少了穿过膜的交叉效应。 全钒液流电池的结构是两个与电池相连的电解液储罐，由两个电极和中间的离子交换膜组成。 阳极液和阴极液在外部储罐中分离，通过泵在电池内循环。 综述正文中作者对全钒液流电池关键部分——电解液，离子交换膜，碳素电极和电池结构展开详细讨论，介绍了针对各个关键部分的改性优化策略和未来的发展方向（图2），并总结了目前全钒液流电池的商业化现状。 图2 (a)从海水和去离子水制备的电解液的循环伏安曲线。 (b)不同Cl − 浓度制备的电解液的放电容量性能。. 膜材料如何提升液流电池的能量效率?膜中增强的自由体积和互连的水通道显著改善了离子传输特性，突破传统离子交换膜电导率和选择性此消彼长的性能限制，大幅提升了液流电池的能量效率。 研究团队测试了新型膜材料在水系有机液流电池和碱性锌铁液流电池等多种液流电池体系中的性能，这些电池在高达500 mA cm⁻⊃2;的电流密度下表现出优异的能量效率，其性能超越了大多数文献中报道的膜材料。 该类膜材料的开发将有望提高新一代液流电池性能、加速其从实验室走向规模应用，并对降低新一代液流电池储能技术成本、推进液流电池储能技术实用化进程起到促进作用。 第一作者：Toby Wong 通讯作者：宋启磊，李先锋，Kim Jelfs 单位：帝国理工学院，大连化学物理研究所 研究背景. 膜材料如何推动液流电池的实用化进程?膜材料是液流电池的核心部件，需要高效传导离子，同时避免活性物质的交叉扩散。然而，传统的全氟磺酸膜（如Nafion）具有优异的稳定性但成本高昂，且制造过程中产生污染物如全氟和多氟烷基物质，对环境与人类健康危害较大。因此开发可持续、低成本、高性能非氟碳氢化合物膜对于推动液流电池的实用化进程具有重要意义。近年来中国科学院大连化学物理研究所储能技术研究部李先锋研究员团队在高性能、低成本液流电池用膜材料取得了一系列进展。在前期工作中（Joule, 2022, 6, 884-905 ），李先锋团队合成制备出公斤级的磺化聚醚醚酮高分子聚合物（sPEEK），利用连续卷对卷式制膜工艺，大面积批量制备出离子交换膜材料，集成到千瓦级碱性锌铁液流电池电堆中。