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水系液流電池由于能量和功率彼此獨立、安全性高和儲能規模可調等特點，在大規模儲能領域極具應用前景。然而活性物質在水中存在溶解度極限，制約著水系液流電池的能量密度，因此水系液流電池的產業化發展受到低能量密度和高成本等關鍵問題的限制。
鐵氰化物/亞鐵氰化物是目前常見的水系液流電池正極活性物質，具有可逆性好、穩定性高和原材料成本低等優點，但其溶解度低，阻礙了鐵基液流電池的發展。因此，亟需打破活性物質溶解度限制，開發高能量密度電解液體系。
長沙理工大學教授賈傳坤和丁美，基于團隊首創的中性鐵硫液流電池體系，聯合新加坡國立大學教授王慶，利用氧化還原靶向反應的機理，構建了新一代高能量密度中性鐵硫固液相液流電池系統。近日，該研究成果發表在《化學可持續化學》（ChemSusChem）上。長沙理工大學碩士研究生閆蘇、徐賀和新加坡國立大學博士研究生黃松鵬為共同一作，賈傳坤、丁美和王慶為共同通訊作者。
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賈傳坤（左）和學生開展相關實驗。受訪者 供圖
該研究團隊基于異離子效應原理，將亞鐵氰化鉀和亞鐵氰化鈉混合物作為正極活性物質，成功將鐵氰化物/亞鐵氰化物的溶解度大幅提升至1.62摩爾/升。在正極儲液罐中引入普魯士藍作為固體儲能材料，利用氧化還原靶向反應，進一步將正極活性物質的理論濃度增加到10 摩爾/升，該側在中性鐵硫液流電池體系中理論能量密度高達260 Wh L-1。
電池測試結果表明，正極電解液實際能量密度為92.8 Wh L-1，電池的最大功率密度達到284.7 mW cm-2。同時該體系具有優異的高溫性能，在50攝氏度下電池仍能保持良好的循環穩定性，且固體儲能材料的利用率隨著溫度升高逐步增加。中性鐵硫液流電池小電堆的庫倫效率接近100%。
研究發現，基于氧化還原靶向反應的中性鐵硫液流電池表現出超長的循環壽命，7000次(4500 h)循環后，由于固體儲能物質持續釋放容量，電池的容量保持率達到181.8%。
“這個過程好比在傳統液流電池儲液罐里加了固體，實現了電池能量密度大幅度提升。”賈傳坤表示，該研究設計的基于氧化還原靶向反應的中性鐵硫液流電池具有較低的電解液成本，在大規模儲能領域極具應用前景。相比較以往報道的鐵氰化物/亞鐵氰化物電解液體系，該研究得到的電解液體系表現出最高的體積容量，為95.7 Ah L-1。
該研究成果于2022年2月獲得專利授權（高體積容量液流電池系統，ZL202111260042.5），已與湖南創達儲能科技有限公司完成專利成果轉化。目前，該成果已完成產業化落地，建成完善的液流電池儲能系統產業線，成功開發出多種液流電池堆導液框結構，5千瓦、10 千瓦和20 千瓦中性鐵硫液流電池堆產品完成測試，正建設100兆瓦中性鐵硫液流電池生產線，預計2024年建成投產。
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團隊和相關企業研制的20千瓦中性鐵硫液流電池單堆產品。受訪者 供圖