Advanced Functional Materials:一种宽温区溴基液流电池用络合剂

大规模储能技术是实现可再生能源普及应用的关键核心技术。液流电池由于具有安全性高、储能规模大、效率高、寿命长等特点,在大规模储能领域具有良好的应用前景。基于溴电对为正极的液流电池具有成本低、能量密度高等优势,近年来受到研究者广泛关注。但溴基液流电池面临一些共性关键科学与技术问题:高腐蚀性的Br2易扩散至负极导致严重的自放电;Br2的挥发性会造成不可逆的容量衰减。向电解液中引入溴络合剂是一种非常有效的策略。然而,电池在运行过程中产生的热量会极大削弱络合剂与溴的络合能力,导致其操作温度相对较低。在溴基液流电池中广泛使用的溴络合剂(N-甲基-N-乙基溴化吡咯烷,MEP)与多溴化物所形成的络合产物在超过50 °C时即发生解离。因此,提升溴基液流电池的温度窗口十分必要,一方面可以省却复杂的冷却控温系统,另一方面活性物质在高温区具有较高的活性,可以提升电池的功率密度。研发新型耐高温溴络合剂对溴基液流电池的发展意义重大。

中科院大连化学物理研究所李先锋研究员与吉林大学张云鹤教授等合作开发出一种新型溴络合剂(1-乙基-2-甲基溴化吡啶,BCA)。理论计算表明:BCA与多溴化物的结合能力比常用络合剂MEP更强,即使在60 °C时络合产物也不会发生解离,将其应用于锌溴液流电池,在40 mA cm-2电流密度,60 °C下, 能量效率可达~84%,并稳定运行超过400圈没有明显性能衰减。而以MEP为络合剂组装的锌溴液流电池运行不到80圈就出现明显衰减。

此外团队通过变温拉曼光谱系统分析了BCA性能优于MEP的原因,发现BCA体系络合产物在超过70 °C时先主要发生BCABr5的解离,再发生BCABr3的解离,而MEP体系在超过50 °C时MEPBr3和MEPBr5络合物的同时进行解离,证明BCA与多溴化物的结合能力比MEP更强,并与DFT计算得到相一致的结论,此项工作为新型溴络合剂的开发提供了借鉴作用,提升了溴基液流电池的温度适应性和功率密度,避免了复杂的温控系统,降低了溴基液流电池的维护成本。

论文信息:

A Complexing Agent to Enable a Wide−Temperature Range Bromine Based Flow Battery for Stationary Energy Storage

Xianjin Li, Tianyu Li, Pengcheng Xu, Congxin Xie, Yunhe Zhang*, Xianfeng Li*

Advanced Functional Materials

DOI:10.1002/adfm.202100133