中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：近日，大連化物所儲(chǔ)能技術(shù)研究部（DNL17）李先鋒研究員團(tuán)隊(duì)和中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所張燕燕副研究員合作，在全釩液流電池（VFBs）正極電解液穩(wěn)定性研究方面取得新進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)通過系統(tǒng)研究VFB正極電解液中五價(jià)釩離子的溶劑化結(jié)構(gòu)隨溫度的轉(zhuǎn)化過程，闡明了正極電解液沉淀析出機(jī)理，并據(jù)此提出了高穩(wěn)定性釩電解液設(shè)計(jì)策略。
VFBs具有安全性高、效率高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，在大規(guī)模電力系統(tǒng)儲(chǔ)能領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。電解質(zhì)溶液作為儲(chǔ)能介質(zhì)，其濃度和穩(wěn)定性決定了電池系統(tǒng)的穩(wěn)定性和能量密度。目前，正極電解液中五價(jià)釩 [V(V)] 在高溫（> 45 °C）環(huán)境下易轉(zhuǎn)化為五氧化二釩（V2O5）沉淀，影響了系統(tǒng)的可靠性，并對(duì)電池的熱管理提出了很高的要求。
針對(duì)這一關(guān)鍵科學(xué)問題，研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合從頭算分子動(dòng)力學(xué)（AIMD）模擬與原位液體飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜（in situ liquid ToF-SIMS）表征技術(shù)，系統(tǒng)解析了V(V) 溶劑化結(jié)構(gòu)從[VO2(H2O)3]+到 VO(OH)3的完整轉(zhuǎn)化過程。
研究發(fā)現(xiàn)，水合V(V)離子（[VO2(H2O)3]+）在高溫和高濃度下會(huì)經(jīng)脫水、去質(zhì)子和質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程，最終形成沉淀前驅(qū)體的偏釩酸（VO(OH)3）。第二次脫質(zhì)子反應(yīng)能壘最高，是反應(yīng)的速率決定步驟。相比之下，硫酸根配位的V(V) 離子可有效抑制水分子的極化及后續(xù)去質(zhì)子化過程，從而在高溫環(huán)境下表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性?；谏鲜鰴C(jī)理，團(tuán)隊(duì)開發(fā)出混合酸釩電解液（2 MV），在50°C條件下實(shí)現(xiàn)單電池穩(wěn)定運(yùn)行3,000次以上。本研究不僅揭示了V(V) 溶劑化結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化機(jī)理，同時(shí)為提高電解液的穩(wěn)定性，以及進(jìn)一步提升VFB系統(tǒng)的可靠性和能量密度具有重要的指導(dǎo)意義。
上述成果以“Harnessing Solvation Chemistry of Pentavalent Vanadium for Wide-temperature Range Vanadium Flow Batteries”為題，于近日發(fā)表在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie International Edition）上。該工作的第一作者是我所DNL17博士研究生穆晨凱。上述工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、遼寧濱海實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)科學(xué)院A類先導(dǎo)專項(xiàng)“基于高比例可再生能源的儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)與示范”等項(xiàng)目的支持。（文/圖 穆晨凱 李天宇）
