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鹵素液流電解液是什么？
液流電池作為一種高安全性、長壽命的儲能技術(shù)，近年來在可再生能源的存儲和調(diào)節(jié)領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。在眾多液流電池電解液選擇中，鹵素電解液有價格低廉、溶解度大、電位高等優(yōu)勢。盡管如此，其在實際應用中仍面臨一些關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。最突出的問題之一是充電導致的相分離。當電池充電時，鹵素離子被氧化生成不溶于水的多鹵離子及鹵素單質(zhì)，這不僅導致電池的能量效率、能量密度下降，還會引發(fā)電解液泄漏、氣體逸出等安全問題。此外，這些多鹵離子尺寸較小，容易穿透電池中的離子交換膜，造成自放電現(xiàn)象，進一步降低電池效率。
為什么在鹵素電解液中加入“肥皂”
鹵素電解液的“相分離”現(xiàn)象其實在日常生活中隨處可見?；烊肭逅械氖秤糜筒粫鶆蚍稚⒃谒?，而會漂浮在水面上，與水形成一個清晰的界面，這就是“相分離”現(xiàn)象。由于油與水的不相溶特性，清水難以洗去油污，然而只要在水中加入一些肥皂，就能輕易將油污洗去。肥皂分子的一個端能夠與水結(jié)合，而另一個端則能夠包裹油脂分子，使得油脂可以穩(wěn)定地分散在水中。
利用相似原理，威斯康星大學麥迪遜分校（UW-Madison）馮大衛(wèi)教授團隊針對鹵素電解液的“相分離”問題提出了一種創(chuàng)新的解決方案——軟硬兩性離子包裹添加劑（Soft-Hard Zwitterionic Trapper，簡稱SH-ZIT）。SH-ZIT通過其“軟”離子部分與多鹵離子結(jié)合，而“硬”離子部分則與水溶液相容，從而將多鹵離子穩(wěn)定分散在水中，避免其形成不溶的油相或氣相，有效地解決了多鹵離子的相分離和自放電問題。相關(guān)工作近日發(fā)表在了Nature期刊上。
圖 a，SH-ZIT設(shè)計示意圖。b，多鹵化物結(jié)構(gòu)示意圖。c, SH-ZIT與多鹵化物相互作用形成水溶性均一相并降低過膜率的機理。d，充電狀態(tài)的溴電解液在未加入SH-ZIT和加入SH-ZIT后的照片。
SH-ZIT原理看似簡單，背后的工作卻遠比生產(chǎn)“肥皂”復雜。馮大衛(wèi)教授團隊設(shè)計和篩選了超過300種SH-ZIT結(jié)構(gòu)，最終確定了13種具有優(yōu)良性能的候選物。實驗結(jié)果表明，使用SH-ZIT后，鹵素液流電池的充電狀態(tài)（State of Charge, SoC）可以顯著提高至90%，大幅度提升了能量密度。此外，SH-ZIT還有效降低了多鹵離子透過離子交換膜的幾率，電池的平均庫侖效率超過99.9%，并且在超過1000次循環(huán)中幾乎沒有性能衰減。
小小“肥皂”的巨大產(chǎn)業(yè)化潛力
針對鹵素電解液的相分離問題，傳統(tǒng)的解決方法主要集中在改進電池結(jié)構(gòu)或加入少量化學添加劑，但這些方法通常效果有限，且會增加系統(tǒng)的復雜性和成本。因此鹵素液流電池一直難以實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。SH-ZIT添加劑能夠顯著抑制多鹵離子的相分離，提高電解液的均勻性，避免了復雜的工程設(shè)計需求。除了性能以外，價格也是產(chǎn)業(yè)化布局中極為重要的因素之一。在篩選SH-ZIT的過程中，馮大衛(wèi)教授團隊對添加劑生產(chǎn)成本進行了系統(tǒng)計算，所篩選的SH-ZIT均可以采用低成本有機原料通過簡單SN2反應進行高效合成。
該團隊已經(jīng)對其中六種極具潛力的SH-ZIT完成了噸級規(guī)模的中試生產(chǎn)。借助我國液流電池硬件和材料產(chǎn)業(yè)鏈近年來的迅速發(fā)展，SH-ZIT的發(fā)明有望在短時間內(nèi)助力鹵素液流電池的產(chǎn)業(yè)化應用。
注：本文部分內(nèi)容由ChatGPT（Version GPT-4o, May 13, 2024）, OpenAI根據(jù)原始論文內(nèi)容生成。
研究團隊
通訊作者 馮大衛(wèi)：威斯康星大學麥迪遜分校材料科學與工程學院助理教授（Y. Austin Chang Assistant Professor）。本科畢業(yè)于北京大學，博士畢業(yè)于德州農(nóng)工大學，在斯坦福大學從事博士后研究。主要研究課題包括：1.高性能液流電池的儲能材料設(shè)計與合成；2. 設(shè)計和合成有機-無機混合儲能材料。
(共同) 第一作者 Gyohun Choi：威斯康星大學麥迪遜分校材料科學與工程學院博士研究生。
(共同) 第一作者 Patrick Sullivan：威斯康星大學麥迪遜分校材料科學與工程學院博士。
(共同) 第一作者 呂修亮：威斯康星大學麥迪遜分校材料科學與工程學院博士后研究員。
(共同) 第一作者 李文杰：威斯康星大學麥迪遜分?；瘜W系博士。
論文信息
發(fā)布期刊 Nature
發(fā)布時間 2024年10月23日
發(fā)布標題 Soft–hard zwitterionic additives for aqueous halide flow batteries
（DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08079-4）
