王春生/陈龙Nature子刊：高能、低成本的无膜氯液流电池

电网规模的储能对于可靠的电力传输和可再生能源整合至关重要，氧化还原液流电池（RFB）为固定式储能提供经济实惠且可扩展的解决方案。然而，目前大多数RFB都是基于昂贵的过渡金属离子或合成有机物。

在此，美国马里兰大学王春生教授、华东理工大学陈龙研究员等人报道了一种具有可逆Cl₂/Cl^–氧化还原物质的新型RFB，该电池通过电解饱和NaCl水系电解液（NaCl/H₂O）并将生成的Cl₂提取、存储在四氯化碳（CCl₄）或矿物油液流中。在充电过程中，Cl₂是由氧化RuO₂-TiO₂@C电极中的Cl^–产生的，与Ag/AgCl参比电极相比，该反应显示出1.2 V的恒定电位。

在放电过程中，CCl₄中的Cl₂在工作电极中被还原为Cl^–并进入NaCl/H₂O，CCl₄流的存在将库仑效率（CE）从8% 显著提高至97%。由于Cl₂在CCl₄中的溶解度比在NaCl/H₂O中高三个数量级，充电过程中产生的Cl₂可以储存在CCl₄中，并防止其扩散到NaCl/H₂O中。

图1. 氯液流电池（CFB）的示意图和电化学性能

因此，Cl₂-CCl₄有机相提供了几个理想的特性：

1）当使用6.0 mL CCl₄时，Cl₂/Cl^–转换的最大可逆容量为600 mAh，使得Cl₂-CCl₄的容量为97 Ah/L；

2）与NaCl/H₂O不相容，因此不需要膜来防止穿梭从而进一步降低成本；

3）具有0.819 mPa.s的低而恒定的粘度，与钒基水系正极液的高而可变的粘度（1.4~3.2 mPa.s）形成对比，因此很容易流动；

4）易润湿多孔碳电极，显著提高了Cl₂储存和反应的表面积；

5）Cl₂在CCl₄中具有高的扩散率，最大限度地降低了传质的能量消耗。

此外，全CFB在10 mA/cm²下的能量效率> 91%，能量密度为125.7 Wh/L。因此，CFB具有固有的低成本活性材料（~5美元/kWh）和高度可逆的Cl₂/Cl^–氧化还原反应，可以满足固定储能的严格价格和可靠性目标。

图2. CFB的充放电行为及与过去报道的RFB性能比较

High-energy and low-cost membrane-free chlorine flow battery, Nature Communications 2022. DOI: 10.1038/s41467-022-28880-x

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王春生/陈龙Nature子刊：高能、低成本的无膜氯液流电池

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