新突破！新一代低成本全铁液流电池储能技术

近日，中国科学院金属研究所材料符石与防护中心腐蚀电化学课题组在新一代低成本全铁液流电池储能技术领域取得了一系列重要进展。

技术突破新进展

全铁液流电池在1981年被提出，分为酸性和碱性两种体系，当前阶段酸性全铁液流电池在商业开发上较为成熟，主要反应是通过铁的价态变化来储存和释放电能。

全铁液流电池当前的主要问题是负极析氢反应以及需要抑制氢氧化铁沉淀的生成，会降低电池的运行效率，减小电池容量，且有减小堵塞离子传导膜的风险。

据悉，此次中国科学院的研究人员以负极Fe/Fe2+相变作为切入点，提出了配位化学设计策略，先后通过引入络合剂与极性溶剂，协同提升了Fe/Fe2+沉积溶解放映可逆性和析氢抑制性，实现了低成本全铁液流电池高效稳定长循环运行。

研究人员在FeCl2水溶液中引入柠檬酸钠，强配体柠檬酸根通过羟基与亚铁离子结合形成稳定的配位结构，改变了亚铁离子在水溶液汇总固有的六水合结构形式，进而抑制水解及避免还原过程中的析氢反应。

此外，研究人员通过进一步选取富含极性基团的极性溶剂DMSO作为负极溶液添加剂，可协同实现Fe2+离子的主溶剂化鞘层重塑及Fe2+离子的择优晶面生长，有效抑制了水合氢离子的析氢反应，促进了Fe2+离子在平整的Fe(110)晶面优先形核，最终形成均匀、无枝晶的铁沉积形貌。

据介绍，中国科学院组装的全铁液流电池实现了99.3%电流效率、70%能量效率和300全循环100%的高容量保持率，循环寿命提升了11倍。

目前，全铁液流电池在国内还处于技术研发阶段，没有进行商业化推进和产品开发。

但在国外已进入了相应的商业化应用阶段，商业应用规模已达到兆瓦级，正在向着GWh级别发展。2021年，北美的ESS公司与软银旗下的SDenergy签署协议，承诺到2026年前向其提供2GWh的电池系统。

液流电池分析

在“双碳”背景下，储能作为实现目标的关键一环，将迎来飞速发展。在一系列储能技术发展中，又以电化学储能发展速度最快，当前电化学储能领域以锂离子电池一家独大，其余诸多储能技术大多未实现大规模应用。

从长期来看，液流电池将成为锂离子电池的替代品，在发电侧、电网侧、用户侧均有很好的应用切入点，技术需求契合度高，成本下降速度快，在储能方面具有非常广阔的应用前景。

液流电池的种类包括全铁、全钒、锌溴、锌镍、锌铁、锌空液流电池等，以下将一一介绍这些技术。

全钒液流电池是在我国技术最成熟、应用最广泛的液流电池储能技术，于1978年在意大利被提出，其循环寿命长、能量转换效率高、安全性强、充电便捷等优点，完美契合大规模储能场景。

当前，全钒液流电池的技术难点主要有两个：钒电解液强腐蚀的渗透问题以及其隔膜需进口成本较高的问题。现阶段全钒液流电池能实现20000次的循环寿命，能量效率可达80%。

锌溴液流电池最早由美国埃克森美孚公司发明，正极采用溴离子和溴单质电对，负极采用锌离子和新单质电对。锌溴液流电池是除全钒液流电池以外商业化比较成功的液流电池技术，目前应用规模在十兆瓦级别，具有结构简单、能量密度高、成本低的优点。

当前的主要问题是存在电极活性物质泄露造成的电池自放电问题以及溴本身的腐蚀性、化学氧化性、挥发性带来的污染问题。锌溴液流电池循环寿命可达6000次以上，能量效率可达70%。

锌镍液流电池与锌溴液流电池结构类似，但其正负极采用同一种电解质，无需离子交换膜，结构简单。问题也很明显，镍的价格在快速上涨，导致成本很高，且功率较低，还需长远发展。

铁锌液流电池于1981年提出，其正极电解液组成为亚铁氰化钾和KOH 溶液，负极电解液组成为 Zn(OH)42–和 KOH 溶液。目前应用规模已达到兆瓦级别。

铁锌液流电池主要面临着锌枝晶与功率和容量不能完全解耦的问题，其负面容量较低，且相关产业链不够成熟。循环寿命可达15000次以上，能量效率可达80%。

锌空气液流电池于2009年由我国教授提出，该电池在充电过程中，正极发生氧析出反应，锌离子沉积为金属锌，放电过程中，负极上的锌溶解，以锌离子的状态保存到电解液中。目前在国内的也处于兆瓦级别。

锌空气液流电池主要问题也和大部分锌液流电池一样，面临着锌枝晶的问题，此外还面临着电流密度低。氧析出氧还原双效催化剂开发不全面的问题。循环寿命可达20000次以上，能量效率为65%。