UT Austin余桂华团队Joule：基于低共熔体系设计的低成本高能量密度的液流电池

人类社会的可持续发展依赖于对新能源的有效利用，所以太阳能、潮汐能和风能等环境友好的可再生能源受到了越来越多的关注。然而，这些可再生能源的随机性、间歇性等特点又需要发展高效快捷的储能技术以满足人类的需求。液流电池因为其独特的液态储能方式和特点，所以被视为大规模储能的理想技术。但是传统的液流电池，例如全钒或者锌溴电池，也一直面临一些问题，比如元素丰量低、强酸性电解液带来安全隐患以及锌枝晶生长等。另外，为了提高电池的能量密度，一方面需要尽可能地提升电池的工作电压，另一方面还希望活性物质在电解液中的浓度越高越好。虽然基于金属锂负极的混合电池设计有利于提高电池电压，但是金属锂枝晶的生长、易燃电解液的使用和较高的材料成本依然限制着金属锂负极在液流电池领域的广泛使用。

针对这些问题，近日，德克萨斯大学奥斯汀分校（UT Austin）的余桂华教授（点击查看介绍）课题组提出了一种基于低共熔体系设计的新型铁铝液流电池。首先，铝金属是地壳中储量最丰富的金属元素，其理论容量高达2980 mAh g^–1，并且成本低廉。另外，铁作为储量第二的金属元素，具有相对较高的电极电势、电化学可逆性好和反应动力学快等优势。近日，该团队基于之前的铝基液流电池的工作（Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 7454-7459），进一步开发了一种全部基于低共熔溶剂用作液流电池电解液的新体系。这一成果近期以封面文章的形式发表在Cell  Press旗下的能源领域新旗舰期刊Joule 上。

基于铁和铝低共熔体系的混合液流电池设计示意图

一方面，铝基低共熔溶剂结合了铝金属在成本和体积能量密度方面上的优势，并且其活性组分浓度高达3.2 M，另外还可以实现可逆的电化学沉积和溶解，没有枝晶生成。另一方面，铁基低共熔溶剂同样具有成本和体积能量密度方面上的优势，此外其活性组分浓度可以达到5.5 M。除了具有极高的活性物质浓度，通过合理的添加剂的筛选和使用，低共熔溶剂的粘度可以得到显著的降低，从而提高溶剂的电导率，进而实现更高能量密度和电池效率。进一步测试分析表明添加剂分子在铁基低共熔溶剂中可以实现铁配合离子的解离，从而进一步提升反应的可逆性。

（A）一系列铁基低共熔溶剂；铁基低共熔溶剂的（B）电导率、（C）氧化还原电位以及（D）粘度

电化学测试结果表明，该铁铝混合液流电池，充放电电位在1.6/1.4 V，完全充放电循环1500小时后电池容量基本没有衰减。另外，电池的体积比容量可达120 Ah L^-1，能量密度达166 Wh L^-1，显著高于传统的全钒液流电池（~25 Wh L^-1）。

铁铝混合液流电池的（A）首次充放电曲线和（B）功率密度曲线

该研究工作提出了一种利用低共熔体系同时作为液流电池正极和负极的新颖设计，为进一步构建低成本高能量液流电池提供了全新的理念和思路。

余桂华教授课题组专注于从化学的角度来设计新型液流锂电池，综合化学、材料科学和能源科学的跨学科研究，包括通过化学合成对活性物质的物理、化学性能进行优化，结合分子水平的电化学反应机理和反应动力学研究，辅以高性能理论计算模拟，发展了一系列新型水系、有机体系液流电池。在该领域取得了一系列的前沿研究成果，相关工作发表在Angew. Chem. Int. Ed.、Chem、Energy Environ. Sci.、Joule、Nano Lett. 等期刊上。基于上述一系列工作基础，余桂华教授应邀在顶级化学综述期刊Chemical Society Reviews 上发表了两篇相关综述，并对该领域做了总结与展望。

该论文作者为：Leyuan Zhang, Changkun Zhang, Yu Ding, Katrina Ramirez-Meyers, Guihua Yu*

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

A Low-Cost High-Energy Hybrid Fe-Al Liquid Battery Achieved by Deep Eutectic Solvents

Joule, 2017, 1, 623, DOI: 10.1016/j.joule.2017.08.013 (Featured Cover)

导师介绍

余桂华

http://www.x-mol.com/university/faculty/37838

参考文献

C. Zhang, Y. Ding, L. Zhang, X. Wang, Y. Zhao, G. Yu, Angew. Chem. Int. Ed. 56, 7454 (2017). (HOT paper)

（本文由Leyuan Zhang供稿）