【液流论文】耶鲁大学研究团队ACS EL:一种通过被动pH解耦实现的2.2V水性氧化还原液流电池

【液流论文】耶鲁大学研究团队ACS EL:一种通过被动pH解耦实现的2.2V水性氧化还原液流电池

第一作者:Haoyu Kong

通讯作者:David G.Kwabi

通讯单位:耶鲁大学

DOI:10.1021/acsenergylett.6c02731

工作简介
本研究报道了一种非混合式水性液流电池,OCP为2.2V,是该类电池中报道的最高值之一,该电池将碱性铬-1,3-丙二胺四乙酸阴离子电解质与酸性溴化物阳离子电解质相结合。两种电解质在单个阳离子交换膜两侧维持约七个单位的pH梯度,无需外部氧气或双极膜回收子电池:运行中的pH测量和零维模型表明差异通过平衡缓慢的质子跨膜传输与氢气和正极侧酸生成而被动维持。该电池循环240小时,CE高达99.5%;通过调节阳离子电解质添加剂、电极和膜,峰值功率密度在43°C时提升至534mW cm⁻²。

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研究背景

氧化还原液流电池(RFBs)对于电网级、长时储能可再生能源而言颇具吸引力,因为它们实现了能量与功率的解耦。技术经济分析表明由廉价且储量丰富的电荷载体构建的水系RFBs(ARFBs)可以在与电网相关的长放电时间下低于锂离子电池(LIBs)的成本,但前提是电池单元需在高电压下运行,因为随着电池电位升高,系统成本会下降。因此,提高开路电位(OCP)是实现低成本ARFBs的最有效手段之一,然而大多数实验室系统仍停留在1.0–1.4V附近。

关键挑战在于高OCP需要将强还原性负极电解质与强氧化性正极电解质配对,而极端条件通常仅在相反的pH窗口内才能保持稳定。因此,要求两种电解质在相同或相似的pH条件下同时发挥作用,就必须在电池电压和电解质稳定性之间进行权衡。先前的pH解耦型ARFB通过专用膜结构或恢复操作维持或恢复了pH梯度。例如,Yan等人使用双极膜(BPM)分别为亚铁氰化物负极电解质和基于紫精的正极电解质生成强碱性和强酸性条件。这种结构将电池电位从0.9V提高至1.6V,但运行依赖于催化水解离。Xi等人后来展示了采用单一膜结构的轻度pH解耦系统,其中酸和碱的生成由氧还原、质子耦合电化学反应以及独立的含BPM亚电池组合驱动。这些研究证实了pH解耦在ARFB中的电压优势,同时保留了专用BPM或恢复操作以抵消酸碱交叉。
核心内容

图1.在pH为3.1至9.3的缓冲液范围内,钾铬-1,3-丙二胺四乙酸(KCrPDTA)和溴化钾(KBr)的循环伏安曲线(离子强度维持在0.25M)

首先采用循环伏安法研究了CrPDTA和溴化物在相反pH窗口下的电化学行为。20mM KCrPDTA的Cr3+/Cr2+波在pH=9.3时清晰可见,而20mM KBr的Br3–/Br–波在pH=6及以下时尤为显著。在窗口范围之外,特征性的氧化还原信号消失,并出现更大的背景电流。中性至酸性条件下Cr电解质中的阴极波可归因于HER,而Br电解质中的阳极峰可能源于析氧反应(OER)、碳氧化和溴酸盐形成的某种组合。因此,测量结果证实了将阴离子电解质保持弱碱性、阳离子电解质保持弱酸性的实际必要性。

图2.在采用单一阳离子交换膜的pH解耦电池中,模拟恒电流循环期间的负极电解质和正极电解质的pH曲线,展示了通过将有效质子渗透性在两个数量级范围内变化而获得的灵敏度案例

为确定这种pH分离能否在单个CEM中被动维持,构建了负极电解质和正极电解质的零维酸当量模型。该模型包括缓冲强度、由有效渗透率(D)控制的跨膜酸当量传输、作为酸消耗负极电解质的HER和阳极酸产生正极电解质以后续展示的实验电池为指导,作者团队模拟了15mL负极电解质(1M CrPDTA,0.1M单质子缓冲液)、15mL无缓冲正极电解质和5cm²膜,基线CE为0.9946(其中79.4%的无效性归因于HER),施加电流为±200mA,且负极电解质还原被限制在理论容量的74.2%以内。在D跨越两个数量级(≈10⁻⁶–10⁻⁸ cm² s⁻¹)时,缓冲负极电解质保持碱性,在65小时内仅从约pH=9漂移至10;而无缓冲正极电解质则保持强酸性,仅因电流反转表现出循环尺度的振荡。

图3.(a)具有溴化物-3-(1-吡啶鎓)-1-丙磺酸盐(Br–SHZIT)正极材料的铬-1,3-丙二胺四乙酸(CrPDTA)电池在不同SOC下的开路电位(OCP);(b)不同SOC下的高频及总面电阻(ASR);(c)Br–SHZIT正极材料配方在室温及50°C下不同SOC时的功率密度;(d)溴化物–氨基磺酸钠(Br–NaSA)正极材料配方在室温及43°C下不同SOC时的功率密度

由于负极电解质和正极电解质电容之间的高度对称性,电池在50%SOC时的OCP(2.21V)接近于通过CV测得的Br3⁻和Cr³⁺的标准还原电位差(2.20V)。在SOC从50%(5.1Ω cm²;8.9Ω cm²)到67%(6.9Ω cm²;12.7Ω cm²)之间,高频和总ASR出现阶跃式增加,导致在室温下50%SOC时达到130mW cm⁻²的峰值电偶功率密度,而在更高SOC时实现的功率密度较低。

极化曲线显示,当SOC超过33%时,电压与电偶电流密度之间呈近线性关系,表明质量传输损失不显著。代入测得的OCP(2.2V)和50%SOC时的总ASR(Pmax=OCP²/(4×ASRtotal)),得出Pmax为136mW cm⁻²,与实验结果一致。因此,异常高的ASR反映了溴还原动力学缓慢以及SHZIT中的阳离子吡啶基团与CEM中的固定负电荷之间的相互作用,从而阻碍了K+的传输。为了同时解决两个问题,用磺酸钠(NaSA)替代了SHZIT,后者能形成强阴离子溴加合物;用石墨毡/碳纳米管(CNT)复合材料替代了石墨毡,该复合材料可轻微催化溴还原;用20μm的FumasepE-620 K膜替代了100μm的Selemion CEM。这些改进共同使总ASR和高频ASR降低了约50%,并将峰值功率密度从50%SOC时的130mW cm–2提高至接近100%SOC时的278mW cm–2。在与实际RFB运行相关的上述环境温度下,也可以实现更高的功率密度。将Selemion-SHZIT电池升温至50°C后,在50%SOC时,总ASR从8.9降至4.8Ω cm²,峰值功率密度则增至317mW cm⁻²。FumasepNaSA电池在43°C和100%SOC时达到534mW cm⁻²,总ASR为2.4Ω cm²。

通过采用更薄和/或更具导电性的膜以及更优的Br氧化还原催化剂,应可实现进一步的性能提升。而且,在接近中性条件下运行的CrPDTA电池已实现0.46Ω cm²的总ASR。若使用2.2V的OCP达到此ASR,理论上在无显著传质损失的情况下,可实现2.63W/cm²的创纪录功率密度。

图4.含(a)SHZIT和(b)NaSA的正极电解质中CrPDTA-Br电池的容量、CE和EE

Selemion-SHZIT CrPDTA-Br电池CE在约170小时内(240循环)保持在99.3%以上,随后降至约98.8%。负极电解质的pH从8.8增加到10.3,最终正极电解质的pH为3.0。CE下降的原因尚不清楚,但非密封的正极电解质损失了约4mL,且在实验接近结束时观察到气体夹带现象,表明蒸发和流体扰动可能是导致此现象的原因。此外,还观察到在循环期间电压滞后现象增加了一倍,大致对应于ASR增加两倍(EE减半),可能是由于CEM与SHZIT中带正电的基团之间的有害相互作用所致。
核心结论
本研究证明了在CrPDTA-Br电池正常循环过程中,无需外部供氧或BPM恢复子电池,即可被动生成补偿性酸/碱通量,并在单个CEM上维持约七单位的pH差。在线GC测量支持HER作为消耗酸的负极电解质路径,而二氧化碳的增加则支持与碳氧化一致的正极侧过程。该电池在2.2V下运行,循环240小时,平均CE介于97.0%至99.5%之间,峰值功率密度达到317mW cm-2(Selemion-SHZIT,50°C)和534mW cm⁻²(FumasepNaSA,43°C)。由于本文展示的pH解耦仅依赖于质子交叉和气体析出的普遍相互作用,而不依赖于特定的CrPDTA-Br化学过程,因此为高电压水系液流电池提供了一种简单、单膜的路径,该路径应可扩展至其他电解质组合,推动ARFBs在长期储能方面实现与锂离子电池的成本竞争力。

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