余桂华团队Angew：混合电解液设计实现具有安全性好和宽温度工作范围的液流电池

随着太阳能发电、风力发电等新能源发电技术的迅速发展，亟待开发大规模储能技术来解决新能源发电技术发电量不稳定的难题，实现削峰填谷、平滑并网的目的。液流电池（Redox flow battery, RFB）具有储能容量与输出功率可调、寿命长、安全性高等优点，作为大规模储能技术前景十分广阔。在其中，活性材料溶解于溶剂中形成相应的电解液来参与充放电反应。目前，研究较多和发展比较成熟的体系是水系液流电池。它具有成本低、输出功率高、安全且环境友好等优点，但是较窄的分解窗口极大地限制了水系液流电池的能量密度，并且水的凝固温度使其在低温环境中的应用受到极大的限制。相比水系体系，非水系液流电池有望实现更高的电压和能量密度，因为有机溶剂可以提供更宽的电压窗口；另外有机溶剂较低的凝固温度可以助力其在低温条件下工作。但是有机溶剂的易燃易爆特性大大增加了应用中的安全风险和维护成本。因此，探索新型电解液的设计概念实现安全宽温的电池体系以及理解其背后的科学内涵，对于液流电池进一步在更广阔平台上的推广应用将具有非常巨大的意义。

近日，美国德克萨斯大学奥斯汀分校的余桂华教授（点击查看介绍）课题组在化学顶级期刊Angewandte Chemie International Edition 发表了研究论文，发展了一种基于水/有机溶剂的混合电解液设计理念应用于高安全性和具有宽工作温度范围的液流电池设计中。该论文第一作者为博士生张乐园，通讯作者为余桂华教授。

图1. a) 混合电解液设计在液流电池应用上的概念示意；b) 不同电解液设计在特性优势上的比较；c) 多种有机溶剂的介电常数和液态温度区间。

作为液流电池中的一个重要组成部分，电解液的性质决定了其高电流能力、电化学稳定窗口和安全特性等重要的参数。通过发展混合电解液的新概念，使得设计具有安全性高同时又能在较宽温度范围内工作的液流电池成为可能（图1）。在液流电池应用中的几种代表性的有机溶剂都与水具有互溶的行为，另外他们的液态温度区间可以为其拓宽工作温度范围提供充足的空间。

混合电解液设计不仅使其具有不易燃的特性，并且同时展现出高的电化学稳定性和宽的温度工作范围（图2）。然后在低温条件下，由于水和有机溶剂的特殊溶剂化作用，混合电解液同时也表现出较高的离子电导率，为液流电池在高电流密度下运行提供保证。

图2. 不同混合溶剂或溶液的物理特性和电化学性质。

为验证混合电解液设计理念在实际电池中的应用潜力，作者综合选取了水/二甲基甲酰胺混合电解液作为范例。通过初步筛选溶解度和反应可逆性，选用了LiI和Zn分别作为正负极材料。组装的静态电池在0.15 M的条件下，表现出相当的倍率能力，同时取得了长达2000圈的稳定循环（图3）。另外，在高浓度条件下（1.5 M），电池可以实现32.5 Ah/L的可逆容量，同时保持稳定循环超过100圈。

图3. 基于水/二甲基甲酰胺混合电解液的Zn-LiI静态电池的电化学性能测试。

在基于水/二甲基甲酰胺混合电解液的液流电池测试中，在室温下，Zn-LiI体系同样展现出极佳的循环稳定性。如图4所示，在长达500圈以上的循环测试中，容量只有极少程度的衰减，并且在前期表现出极高的库伦效率（99.9%），证实了混合电解液设计在液流电池实际应用中的潜力和优势。另外，在高容量（24 Ah/L）和高电流密度（30 mA/cm²）条件下, 也同样取得了稳定的电化学循环。

图4. 基于水/二甲基甲酰胺混合电解液的Zn-LiI液流电池的电化学性能测试。

最后，在低温环境中，基于水/二甲基甲酰胺混合电解液的Zn-LiI的电池体系依然具有良好的电化学性能表现（图5）。首先，在-20摄氏度条件下，静态电池可以进行稳定的工作；在循环250圈后，容量几乎没有衰减。在高浓度（1.5 M）条件下，依然可以实现高的可逆容量（39 Ah/L）和长时间稳定循环。最后，在-20摄氏度低温条件下，Zn-LiI液流电池在较高的电流密度（10 mA/cm²）中也取得了150圈的稳定循环，充分证明了混合电解液设计在极端环境中的应用潜力。

图5. 基于水/二甲基甲酰胺混合电解液的Zn-LiI静态和液流电池在低温环境中的电化学性能测试。

综上所述，得益于水系和非水系相应特性优势的结合，混合电解液的设计使其不仅具有不易燃的安全优势，并且可以实现高的电化学稳定性和宽的液态温度工作区间，以及在低温条件下维持较高的离子电导率。基于水/二甲基甲酰胺混合电解液的范例，Zn-LiI液流电池在不同温度下都取得了长时间稳定的循环以及高的库伦效率。因此，基于水和有机溶剂的协同效应，此工作提出了一种混合电解液设计的新概念，为设计构建高性能安全宽温液流电池提供了新的可能性。

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）：

Hybrid Electrolyte Engineering Enables Safe and Wide‐Temperature Redox Flow Batteries

Leyuan Zhang, Guihua Yu*.

Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI: 10.1002/anie.202102516

作者简介

余桂华，美国德克萨斯大学奥斯汀分校材料科学与工程系，机械系终身教授，英国皇家化学学会会士（FRSC）和皇家物理学会会士（FInstP）。

余桂华教授课题组近些年致力于新型液流电池的研究和设计、新型功能化纳米材料的合理设计和合成等，综合了化学科学、材料科学和能源科学的跨学科研究，取得了开创性研究，在能源、环境和生命科学领域展现重要的技术应用。目前已在Science, Nature, Nature Reviews Materials, Nature Materials, Nature Nanotechnology, Nature Communications, Science Advances, PNAS, Chemical Reviews, Chemical Society Reviews, Accounts of Chemical Research, JACS, Angewandte Chemie, Advanced Materials, Energy & Environmental Sciences, Chem, Joule, Nano Letters, ACS Nano, Nano Today, Mater. Today 等国际著名刊物上发表论文200余篇，论文引用~40,000次，H-index~103。

现任 ACS Materials Letters 副主编，是近二十个国际著名化学和材料类科学期刊的顾问编委，如Chemical Society Reviews (RSC), ACS Central Science, Chemistry of Materials (ACS), Chem, Cell Reports Physical Science (Cell Press), Nano Research (Springer), Science China-Chemistry, Science China-Materials, Nature Scientific Reports, Energy Storage Materials (Elsevier), Energy & Environmental Materials (Wiley-VCH)等。

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