日前，長沙理工大學儲能研究所教授賈傳坤、丁美聯(lián)合中南大學副教授劉金龍、清華大學深圳國際研究生院副教授周光敏創(chuàng)新性研發(fā)了首款低成本高能量密度鋅-高錳液流電池，相關(guān)成果發(fā)表在國際知名期刊Energy Storage Materials《儲能材料》上。這一新型液流電池技術(shù)有望為中大規(guī)模儲能提供新方案。

實現(xiàn)“雙碳”目標，能源是主戰(zhàn)場，儲能技術(shù)則是能源轉(zhuǎn)型和能源安全的關(guān)鍵技術(shù)。隨著儲能行業(yè)向著高效率、低成本、靈活運行方向快速發(fā)展，亟需開發(fā)性能更好、成本更低和壽命更長的新型儲能電池體系。液流電池以其功率與能量獨立、設(shè)計靈活簡單和循環(huán)壽命長等優(yōu)點，是目前最具應(yīng)用前景的中大規(guī)模儲能技術(shù)之一。但與此同時，液流電池儲能技術(shù)要滿足商業(yè)化應(yīng)用要求，仍面臨提質(zhì)降本的挑戰(zhàn)。因此，開發(fā)由來源廣泛、價格低廉的氧化還原活性物質(zhì)構(gòu)成的液流電池體系，意義重大且迫切。

 

鋅在地殼中儲量豐富，且在堿性條件下，鋅具有較低的氧化還原電位，理論容量高，是較為理想的電池負極活性材料。地殼中錳儲量同樣豐富，高錳酸根離子的氧化還原電位較高，同時其鈉鹽有較大的溶解度，但由于其較強的氧化性和腐蝕性，嚴重限制其在液流電池中的使用壽命。

 

基于上述背景，賈傳坤團隊開發(fā)了具有更好電化學活性、更強穩(wěn)定性和抗氧化性的石墨烯復(fù)合碳氈電極，成功破解了高錳酸鈉作為正極活性物質(zhì)的傳統(tǒng)壁壘，開發(fā)出首款低成本高能量密度的鋅-高錳液流電池。

 

據(jù)測試，該款電池在能量密度、穩(wěn)定性及成本方面均表現(xiàn)優(yōu)異。該電池電壓達1.98 V，是目前已報道具有單層隔膜結(jié)構(gòu)的水系液流電池最高值，全電池的實際能量密度能夠達到 97.8 瓦時/升，可高達傳統(tǒng)水系液流電池能量密度的4倍；得益于石墨烯改性碳氈電極的優(yōu)異性能，該電池能夠循環(huán)5000次，穩(wěn)定性突出；其優(yōu)異的倍率性能和較高的峰值功率密度拓展了該電池在調(diào)頻調(diào)峰等場景的應(yīng)用可能。當前，由該款電池構(gòu)建的小型電堆可以穩(wěn)定運行超過1200個循環(huán)，容量保持率達到77.7%。加之其更為低廉的成本，商業(yè)化應(yīng)用的潛力蔚為光明。

 

據(jù)悉，該成果于2019年8月申請發(fā)明專利，在世界上最早對鋅-高錳液流電池技術(shù)進行了保護，并于2022年2月獲得專利授權(quán)。基于鋅-高錳液流電池低成本、高能量密度和良好電池性能等優(yōu)點，有望廣泛應(yīng)用于中大規(guī)模儲能領(lǐng)域，為實現(xiàn)“碳中和”目標和可持續(xù)發(fā)展提供堅實技術(shù)支撐。目前，該成果已完成專利技術(shù)轉(zhuǎn)化，研究人員正在進行產(chǎn)品小試。

 

長沙理工大學碩士研究生向維哲、楊明輝為論文共同第一作者。長沙理工大學能動學院教授丁美、賈傳坤，中南大學副教授劉金龍和清華大學深圳國際研究生院副教授周光敏為論文共同通訊作者。