李先锋/张长昆/傅杰EES:面向千瓦级有机液流电池的亚甲基蓝正极电解液

液流电池最新进展

李先锋/张长昆/傅杰EES:面向千瓦级有机液流电池的亚甲基蓝正极电解液
液流电池(FBs)是开发清洁可再生能源的大规模和长期储能的最佳选择之一。利用有机分子作为氧化还原物质的水系有机液流电池(AOFB)具有独特的优势,如元素丰度和可定制性,从而使潜在的环境友好和低成本成为可能。然而,目前的AOFBs仍受缺乏空气稳定有机分子的限制。
李先锋/张长昆/傅杰EES:面向千瓦级有机液流电池的亚甲基蓝正极电解液
在此,中科院大连化物所李先锋研究员、张长昆研究员及大连交通大学傅杰教授等人借助电解液优化和原位/非原位核磁共振(NMR)和电子顺磁共振(EPR)技术发现,在亚甲基蓝(MB)电解液中归中反应产生的抗氧自由基MBH22+▪和酸性条件下生成的还原态HMBH22+显示出更稳定的分子结构,这无疑对环境空气条件下MB分子的高度可逆性起着至关重要的作用。
具体而言,MB电解质的氧化还原反应实际上是在强酸性溶液中从质子化的MB分子开始的,其在3 M H2SO4溶液中的整个氧化还原过程如下:MBH2+分子得到两个电子和两个质子生成还原态的HMBH22+分子。而在50% SOC的MB电解液中,氧化的MBH2+和还原的HMBH22+之间的归中反应导致中间体MBH22+▪自由基的生成。
李先锋/张长昆/傅杰EES:面向千瓦级有机液流电池的亚甲基蓝正极电解液
图1. MB电解液的化学和电化学稳定性
此外,V-MB单电池的暂停(12~48小时)循环实验表明MB电解液在空气中表现出优异的化学/电化学稳定性及极少的自氧化。基于空气稳定的MB电解液,作者首次组装了一个kW级的AOFB堆栈,并在80 mA cm-2下表现出超过500次循环的稳定容量。此外,基于0.5 M MB电解液的电池堆在容量为~ 510 Ah的情况下,仍能在约32天的长寿命周期内保持稳定性能。
同时,高温下的分子加速衰减测试也表明还原态HMBH22+表现出超强的稳定性。尽管原始MB的副反应在70 ℃时很严重,但大多数分解的分子仍保留氧化还原中心,只有轻微的容量衰减。总之,这项工作中优异性能和稳定的MB电解质为高性能 AOFBs用于大规模储能的实用性铺平了道路。
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图2. 堆栈单元在0.1 M和0.5 M下的电化学性能
Insight into Air-stable Methylene Blue Catholyte towards kW-scale Practical Aqueous Organic Flow Batteries, Energy & Environmental Science 2022. DOI: 10.1039/D2EE03051A

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