通过普鲁士蓝固体提升能量密度的硫铁液流电池
分类:前沿资讯
- 作者:中和储能
- 发布时间:2024-17-07
【概要描述】一种基于中性水性SMRT的PB-Fe/S液流电池,其超长寿命超过7000次循环(4500小时),并且电池中电解质的化学成本超低,仅为19.26$ kWh−1。值得注意的是,在阴极液中存在PB颗粒的情况下,在SMRT反应的影响下,PB-Fe/S液流电池7000次循环后的容量达到不含PB的初始容量的181.8%。
研究亮点
在本研究中,通过结合反离子效应和[Fe(CN)6]3-/4-与普鲁士蓝
研究内容
作者首先进行了循环伏安法(CV)测试。在1.0M KCl溶液中,在0V-0.4V vs.Hg/Hg2Cl2的电势区间内,分别对K3[Fe(CN)6]和PB测试,结果均获得了一对可逆氧化还原峰,两者对应的电化学电位相近,为Nernstian电位驱动的SMRT反应提供了热力学基础(图1b)。进一步发现,在电解质中加入混合阳离子对将[Fe(CN)6]4-的浓度显示出提高三倍以上的积极影响。在与PB结合时,正极电解液中[Fe(CN)6]3-/4-的最大浓度在室温理论上可达到10.0M,对应含[Fe(CN)6]3-/4-正极电解液的体积容量和能量密度分别为268.0Ah L−1和 260.0Wh L−1(图1c)。
进一步研究发现,在第7次循环结束时向阴极电解液中添加5.2mM PB颗粒后 ,对称电池的容量从219.7急剧增加到562.1mAh,固体利用率高达61.0 %(图2a)。[Fe(CN)6]3-/4-与PB/PW之间发生SMRT反应的对称电池在500次循环(4200小时)内表现出长循环稳定性,累积容量衰减小于0.03%(图2b)。随后,组装并研究了具有稀释阴极液(0.1M K3Fe(CN)6)和过量阳极液的PB−Fe/S全电池(图2g)。在开始循环时没有PB颗粒,初始放电容量仅为39.0 mAh。7次循环后,将PB装入阴极储液器中,通过SMRT反应,电池容量超过初始值两倍,达到70.9mAh。并且添加PB后容量并没有像对称电池那样立即增加,而是在1000次循环(500小时)内逐渐上升以达到最大值,这表明在稀释的阴极电解液中激活SMRT反应需要一些时间。此外,该电池在7000次循环(4500小时)中表现出出色的循环稳定性,库仑效率(CE)持续保持在100%左右的高水平。
随后,作者研究了该液流电池在高温下的稳定性,发现其可在高达50℃的温度下稳定运行。在30℃、40℃和50℃下进行了PB-Fe/S液流电池的充电/放电测试,结果表明,液流电池在30到50℃范围内表现出良好的循环稳定性,CE高达100%左右(图3a-c)。此外,在第1次循环后在正极液中添加PB,容量在30℃、40℃和50℃下分别增加了109.5mAh、112.5mAh和130.6mAh(图3d-f),表明正极液中固体储能材料的利用率随温度升高而提高。然而,随着温度的升高,容量的衰减变得更加明显,这是活性物质在较高温度下通过离子交换膜的交叉加速所导致。另外,从选定的充电/放电电压曲线来看,电池的电位值随着PB的添加和温度的升高而下降(图3d-f),这与平衡电位
由于反离子效应,阴极电解液中[Fe(CN)6]3-/4-浓度增加,缩短了SMRT反应的响应时间,同时提高了电池的能量密度。通过使用Na+和K+的混合反离子,[Fe(CN)6]4−(K4[Fe(CN)6](K4)+Na4[Fe(CN)6](Na4))的浓度显著增加至1.62M,对应的体积容量为43.4Ah L−1,能量密度为42.1Wh L−1(图4a),明显高于报道的KCl
研究结论
结合混合反离子阴极电解液以及[Fe(CN)6]3−/4−与PB/PW的SMRT反应,可以有效提高[Fe(CN)6]3−/4−的浓度并加速氧化还原反应动力学。结果,阴极电解液中的[Fe(CN)6]4−浓度在室温下升高至1.62M,从而迅速激活与PB的SMRT反应,使PB−Fe/S液流电池中含[Fe(CN)6]3−/4−阴极电解液的实际体积容量和能量密度分别达到95.7Ah L−1和 92.8Wh L−1。此外,电池中电解质的化学成本降低至仅为19.26$ kWh−1(图4g)。PB-Fe/S液流电池表现出超长寿命,在4500小时内可进行7000次循环,并具有出色的容量,在15mA cm-2下容量是不含PB的181.8%(图4h)。此外,它还表现出高达50℃的良好热适应性。与强酸溶液中的全钒RFB不同,PB-Fe/S液流电池在中性溶液中工作,降低了系统运行中的维护成本。经济高效的自制膜可以代替昂贵的Nafion膜,并在温和条件下工作良好,这将进一步提高电池性能并降低成本。总之,与其他中性水性液流电池相比,PB-Fe/S系统表现出卓越的性能和经济性。这些优势使其成为商业应用中大规模储能的有希望的候选者。