全钴钨酸液流电池——可同时用于液流电池正负极的钴钨酸电解质

随着化石能源的不断消耗与环境问题的日趋严重,清洁能源的开发利用已成为现代社会发展的必然选择。液流电池由于其价格低廉、设计灵活、容量可扩展、可深度充放电等优点,在风能、水能、太阳能等时效性可再生能源的储存与转换中具有广阔的应用前景,受到了科学界与工业界的广泛关注。然而,目前的液流电池体系中普遍存在的离子渗透与交叉污染等问题,严重制约了电池的输出性能与工作寿命。科学家们试图通过研发特制的隔膜或者应用新型电解质的方式来解决这一问题。然而,特制隔膜往往无法同时兼顾离子电导率与离子选择性,难以从根本上解决问题;而新型电解质的应用虽然可以能从根本上解决离子渗透的问题,但由于电池正负两极的电解质多为不同种类物质,增加了不可逆的离子污染的风险。另外,目前的液流电池电解质的储能物质往往只能利用单电子或二电子反应,较低的反应电子数制约了电池的容量密度,限制了液流电池在更广阔领域中的应用。因此,下一代高效长寿命液流电池的研发应基于简约化、多功能化、高能量密度的电解质结构设计,寻找一种不发生离子渗透、拥有多电子反应且能同时应用于电池两极的新型电解质将引发液流电池理念上的全新突破。

全钴钨酸液流电池——可同时用于液流电池正负极的钴钨酸电解质

近期,北京航空航天大学相艳教授和卢善富博士研究团队创造性地构建了一种以Keggin型钴钨酸(H6[CoW12O40])水溶液同时作为正负极电解液的液流电池(全钴钨酸液流电池)。在水溶液中,H6[CoW12O40]解离为质子与钴钨酸离子([CoW12O40]6-),[CoW12O40]6-具有钴和钨两个不同的氧化还原活性中心,电池充电时,正极的[CoW12O40]6-中心的CoII被氧化为CoIII,负极的[CoW12O40]6-周围的WVI经过两步两电子反应被部分的还原为WV,质子由正极移动到负极,放电时则相反。该电解质的两类氧化还原反应在空白碳电极上具有良好的可逆性,其理论电极电势差高达1.1 V,为电池提供了较高的电动势。同时由于[CoW12O40]6-具有较大的离子半径及负电荷,难以通过质子交换膜,可以从根本上杜绝电解质的离子渗透与交叉污染问题。该液流电池可直接使用廉价的碳毡作为电极、商业化质子交换膜作为隔膜,无须重新设计电极及膜材料。此外,H6[CoW12O40]作为一种强酸,在水溶液中解离为H+与[CoW12O40]6-,同时起到了电荷平衡载体与能量储存物质的作用,无须添加硫酸等腐蚀性酸作为支持电解质,电池系统更加安全环保。研究发现,由于钴钨酸在常温下1 M的溶解度及钨的四电子还原反应,该电解质的负极半电池容量可高达108 Ah/L。同时,该电池的工作性能可通过正负极电解液体积比和浓度进行调控,当正负极体积比为4:1,电解液浓度为0.8 M时,该液流电池取得了媲美商业化的全钒液流电池的工作性能,在25 mA/cm2的电流密度下可达到99%的库伦效率、86%的能量效率和15.4 Wh/L的能量密度,并表现出了稳定的循环性能。该工作创造性的构建了一个全新的液流电池体系,将为下一代液流电池电解质的开发利用提供新的研究思路。相关研究结果发表在Advanced Energy MaterialsDOI: 10.1002/aenm.201601224)上。

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