能量密度新高度:半固液两相复合新型液流电池

Energyluyijun随着人们对能源的需求越来越高,石化燃料对环境的污染日益严重,可再生能源的开发已经成为当前社会发展的必然选择。能源存储技术是解决可再生能源断续且不稳定的重要方法,已经成为一个热点被广泛研究。液流电池把反应发生的堆和能量储存的液罐分离开来,使得它在能量和功率设计上具有很高的弹性,而且其相对低廉的价格,无疑都使得液流电池成为了大型储能运用中的一个重要的技术。但受限于其较低的能量密度,大大的降低了液流电池在更多广阔领域的竞争力。

分析液流电池能量密度低的原因可知,其主要是由于活性物质在电解液中的溶解度太低和电池电位受限于水的分解电压所导致的。因此,如何有效的提高液流电池的能量密度,成为了一个亟待解决的技术问题。理论上来说,只要能增加活性物质在电解液中的浓度,并提高电池的反应电压,都可以极大的提高液流电池的能量密度。近年来,很多研究者都朝着这个方向做了很多非常重要的研究,极大的推动了液流电池的发展。然而,相比于锂离子电池等高能量密度电池,液流电池的能量密度仍然还有很大的差距。

最近,香港中文大学卢怡君教授及其研究团队同时利用了高溶解度的液态活性物质和高容量的固态活性物质,形成一种半固液两相复合新型液流电池概念(MRSSL)。并且通过使用液态碘化锂电解液和固态硫/碳复合物作为一种组合,第一次成功的证明了碘化锂-硫/碳半固液两相复合新型液流电池的可行性。碘化锂在有机溶剂1,3-二氧戊环(DOL)/乙二醇二甲醚(DME)中,有大于5 M的溶解度,是一种可逆性极好的活性溶解物质,它不仅把碘离子作为活性物质,参加电池反应,同时锂离子仍然可以起到导离子的作用。此外,硫作为一种理论质量容量高达1607 mAh/g的固态活性物质,通过和导电碳Ketjenblack (KB)混合在一起做成硫/碳复合物,并与液态电解液构成一种可流动的半固态阴极液,大大的提升了阴极液的体积容量。这种新型液流电池达到了550 Ah/L的体积容量和580 Wh/L的全电池能量密度,并且拥有95%的库伦效率,这是迄今为止所达到的最高液流电池阴极体积容量。同时,由于液态碘化锂电解液的存在,更是促进了固态硫的利用率和减小了整个阴极液的粘度,这都是普通半固体液流电池不具备的优势。

该半固液两相复合新型液流电池理念(MRSSL)为其他大量的固态与液态活性物质相组合提供了十分广阔的机会,更多溶解度更高,容量更大的材料可以通过相似的方法组合在一起,实现能量密度的进一步飞跃。我们相信这个理念将为下一代高能量密度液流电池提供了一个新的可行的发展方向。相关论文发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201502183)上。