科學(xué)家研發(fā)軟硬雙極性捕獲劑，促進(jìn)鹵化物水系液流電池應(yīng)用落地
文章來源：新能源網(wǎng) 更新時(shí)間：2024-11-13 16:39:22
一個(gè)成果的誕生，讓美國威斯康星大學(xué)麥迪遜分校馮大衛(wèi)教授和團(tuán)隊(duì)既多了一篇 Nature 論文，也讓他所創(chuàng)辦的 Flux XII 公司多了一項(xiàng)技術(shù)專利。
通過克服傳統(tǒng)多鹵化物體系的限制，他希望為鹵化物水系液流電池在可持續(xù)的大規(guī)模能源存儲(chǔ)應(yīng)用中鋪平道路，從而通過更有效地儲(chǔ)存可再生能源，來為減少全球?qū)剂系囊蕾囎龀鲋匾暙I(xiàn)。
總的來說，這是一項(xiàng)圍繞氧化還原過程中電荷轉(zhuǎn)移機(jī)理開展的新成果。
研究中，該課題組引入了一種創(chuàng)新的雙極性復(fù)合試劑——軟硬雙極性捕獲劑（SH-ZIT）。
這款試劑的設(shè)計(jì)目的是：旨在通過穩(wěn)定充電過程中形成的多鹵化物物種，并防止其分解成自由鹵素分子，從而解決現(xiàn)有鹵化物水系液流電池的主要局限。
研究中，該團(tuán)隊(duì)假設(shè) SH-ZIT 憑借其獨(dú)特的“軟”陽離子和“硬”陰離子結(jié)構(gòu)，能夠通過“軟-軟”相互作用有效地結(jié)合多鹵化物，同時(shí)能夠通過“硬”陰離子的親水特性保持溶解性。
這種雙重功能對(duì)于防止形成單獨(dú)的疏水相至關(guān)重要，同時(shí)這種疏水相一直是電池操作和安全性上的一大挑戰(zhàn)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，SH-ZIT 添加劑不僅能夠消除有害的溴蒸氣，還能實(shí)現(xiàn)高達(dá) 90% 充電狀態(tài)下的均勻電解質(zhì)溶液，這在鹵化物體系中是一個(gè)前所未有的突破。
通過系統(tǒng)性的測(cè)試，他們發(fā)現(xiàn) SH-ZIT 能夠顯著提高體系的穩(wěn)定性、容量和庫侖效率，即使在高溫環(huán)境下也能保持優(yōu)異的性能。這也讓本次研究則為探索復(fù)雜的溶劑化結(jié)構(gòu)和電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制開辟了新的方向。
通過光譜分析和電化學(xué)測(cè)試，他們展示了 SH-ZIT 形成的結(jié)構(gòu)與多鹵化物物種的相互作用，為提高電池性能和確保安全性提供了更深層次的理解。
總的來說，本次成果將能用于大規(guī)模儲(chǔ)能和可持續(xù)能源技術(shù)領(lǐng)域。假如該成果得到進(jìn)一步開發(fā)和優(yōu)化，它有望在以下場(chǎng)景中發(fā)揮重要作用：
用于大規(guī)模電網(wǎng)儲(chǔ)能：由于 SH-ZIT 在鹵化物水系液流電池（aq-RFBs）中能夠顯著提高穩(wěn)定性和安全性，因此該技術(shù)可以用于大規(guī)模電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)。它將幫助更好地存儲(chǔ)和調(diào)節(jié)可再生能源（如風(fēng)能和太陽能），以平衡電力供應(yīng)與需求，從而減少對(duì)化石燃料的依賴。
用于應(yīng)急和備用電源系統(tǒng)：這種更安全、更高效的電池技術(shù)可用于應(yīng)急備用電源，特別是在需要高安全性和可靠性能的關(guān)鍵場(chǎng)景中，如用于醫(yī)院、數(shù)據(jù)中心和其他需要穩(wěn)定電力供應(yīng)的設(shè)施之中。
用于工業(yè)級(jí)備用電源：即工廠等需要穩(wěn)定電力供應(yīng)的關(guān)鍵設(shè)施，將能受益于這種創(chuàng)新的儲(chǔ)能技術(shù)。其高容量和高效率特性，可以確保在電網(wǎng)故障或高峰需求期間的無縫電力供應(yīng)。
用于智能電網(wǎng)和分布式能源系統(tǒng)：本次技術(shù)在支持智能電網(wǎng)和分布式能源網(wǎng)絡(luò)方面有著巨大的應(yīng)用前景。通過提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率和安全性，SH-ZIT 技術(shù)可以促進(jìn)分布式發(fā)電的普及，使用戶能夠更好地儲(chǔ)存和利用自發(fā)電力。
綜上，本次成果在未來幾年內(nèi)將有助于推動(dòng)儲(chǔ)能技術(shù)的全面發(fā)展，尤其能促進(jìn)提升該技術(shù)的安全性、穩(wěn)定性和能量密度，從而為多領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用提供可能性。
據(jù)他介紹，Flux XII 公司由課題組此前的核心研發(fā)人員領(lǐng)導(dǎo)。
該公司專注于開發(fā)水系液流電池技術(shù)，旨在為多種應(yīng)用場(chǎng)景提供高效的儲(chǔ)能解決方案。
目前，公司已成功完成電解液和離子交換膜的中試生產(chǎn)，正在進(jìn)行原型電堆的最終測(cè)試階段。
同時(shí)，他們也已啟動(dòng)種子輪融資，以支持后續(xù)的產(chǎn)品開發(fā)和市場(chǎng)推廣。
提高鹵化物體系的充電狀態(tài)利用率
而之所以開展本次研究，既源于之前他們?cè)谟袡C(jī)體系的水系液流電池（aq-RFBs）方面的廣泛研究，也源于希望探索新的無機(jī)體系前沿領(lǐng)域的愿望。
同時(shí)，之所以轉(zhuǎn)向鹵化物體系，是因?yàn)樗鼈冊(cè)趯?shí)際應(yīng)用中展現(xiàn)出更加顯著的潛力，比如造價(jià)便宜、溶解度高、電位比較正，在大規(guī)模能源存儲(chǔ)解決方案中表現(xiàn)尤為出色。
鹵化物基陰極電解質(zhì)特別是溴化物和碘化物，具有較高的溶解度、以及較正的氧化還原電位，這使得它們具有很大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。
然而，這些體系長期以來受到固有問題的困擾，比如會(huì)在充電過程中形成多鹵化物，從而會(huì)導(dǎo)致相分離、自放電、電解液交叉、以及釋放有毒鹵素蒸氣等安全問題。
因此，本次研究旨在解決這些關(guān)鍵挑戰(zhàn)，并提高這些體系的充電狀態(tài)利用率。
純粹基于預(yù)測(cè)性和熱力學(xué)假設(shè)驅(qū)動(dòng)的項(xiàng)目
馮大衛(wèi)表示，本次課題的起點(diǎn)實(shí)際上帶有一些好奇和探索的成分。
此前，他們?cè)谟袡C(jī)水系液流電池方面已經(jīng)取得了不錯(cuò)的進(jìn)展，于是他們想嘗試一些不同的體系，以避免研究的單一性，同時(shí)也有助于加深對(duì)于不同電化學(xué)體系的理解。
跨體系的比較性研究，尤其吸引著馮大衛(wèi)。因?yàn)閬碜酝谎芯繄F(tuán)隊(duì)的數(shù)據(jù)更容易進(jìn)行一致性分析和對(duì)比。
“因此，這項(xiàng)研究可以說是一個(gè)純粹基于預(yù)測(cè)性和熱力學(xué)假設(shè)驅(qū)動(dòng)的項(xiàng)目。”馮大衛(wèi)表示。
確定上述研究方向之后，課題組在第二天就用現(xiàn)有分子進(jìn)行嘗試并成功獲得了初步結(jié)果。
隨后，他們開始收集數(shù)據(jù)、優(yōu)化體系，以及深入理解這一體系的電化學(xué)行為和電化學(xué)性能。
而在研究這個(gè)體系時(shí)，涉及到大量的結(jié)構(gòu)組合和性能測(cè)試。
盡管整體工作過程比較平坦，但是在機(jī)理理解上頗費(fèi)功夫。
“每次我們基于已有數(shù)據(jù)有了自以為不錯(cuò)的理解之后，很快被新的數(shù)據(jù)打臉。并且發(fā)現(xiàn)所以之前文獻(xiàn)對(duì)于鹵素的氧化還原都不是特別令人信服。”馮大衛(wèi)說。
但這反而也讓他們能夠保持一種開放的心態(tài)，去持續(xù)深入地研究機(jī)理。
威斯康星大學(xué)麥迪遜分校博士生 Gyohun Choi 是第一作者，馮大衛(wèi)擔(dān)任通訊作者[1]。
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