《Advanced Energy Materials》刊发我院相艳课题组

在液流电池研究方面的重要进展

日前，北航空间与环境学院相艳课题组在能源材料领域国际权威学术期刊《Advanced Energy Materials》上以“An Aqueous Redox Flow Battery with a Tungsten–Cobalt Heteropolyacid as the Electrolyte for both the Anode and Cathode”为题发文，创造性地构建了一种以Keggin型钴钨酸(H₆[CoW₁₂O₄₀])水溶液同时作为正负极电解液的液流电池(全钴钨酸液流电池)。该工作成功创建了一种全新的液流电池体系，为下一代液流电池电解质的开发利用提供了新的研究思路。

随着化石能源的不断消耗与环境问题的日趋严重，清洁能源的开发利用已成为现代社会发展的必然选择。液流电池由于其价格低廉、设计灵活、容量可扩展、可深度充放电等优点，在风能、水能、太阳能等时效性可再生能源的储存与转换中具有广阔的应用前景，受到了科学界与工业界的广泛关注。然而，目前的液流电池体系中普遍存在的离子渗透与交叉污染等问题，严重制约了电池的输出性能与工作寿命。此外，目前的液流电池电解质的储能物质往往只能利用单电子或二电子反应，较低的反应电子数制约了电池的容量密度，限制了液流电池在更广阔领域中的应用。因此，下一代高效长寿命液流电池的研发应基于简约化、多功能化、高能量密度的电解质结构设计，寻找一种不发生离子渗透、拥有多电子反应且能同时应用于电池两极的新型电解质将引发液流电池理念上的全新突破。

钴钨酸(H₆[CoW₁₂O₄₀])是一种Keggin型杂多酸。在水溶液中，H₆[CoW₁₂O₄₀]解离为质子与钴钨酸离子([CoW₁₂O₄₀]^6-)，[CoW₁₂O₄₀]^6-具有钴和钨两个不同的氧化还原活性中心，全钴钨酸液流电池充电时，正极的[CoW₁₂O₄₀]^6-中心的Co^II被氧化为Co^III，负极的[CoW₁₂O₄₀]^6-周围的W^VI经过两步两电子反应被部分的还原为W^V，质子由正极移动到负极，放电时则相反。该电解质的两类氧化还原反应在空白碳电极上具有良好的可逆性，其理论电极电势差高达1.1 V，为电池提供了较高的电动势。同时由于[CoW₁₂O₄₀]^6-具有较大的离子半径及负电荷，难以通过质子交换膜，可以从根本上杜绝电解质的离子渗透与交叉污染问题。该液流电池可直接使用廉价的碳毡作为电极、商业化质子交换膜作为隔膜，无须重新设计电极及膜材料。此外，H₆[CoW₁₂O₄₀]作为一种强酸，在水溶液中解离为H⁺与[CoW₁₂O₄₀]^6-，同时起到了电荷平衡载体与能量储存物质的作用，无须添加硫酸等腐蚀性酸作为支持电解质，电池系统更加安全环保。研究发现，由于钴钨酸在常温下1 M的溶解度及钨的四电子还原反应，该电解质的负极半电池容量可高达108 Ah/L。同时，该电池的工作性能可通过正负极电解液体积比和浓度进行调控，当正负极体积比为4：1、电解液浓度为0.8 M时，该液流电池取得了媲美商业化的全钒液流电池的工作性能，在25 mA/cm²的电流密度下可达到99%的库伦效率、86%的能量效率和15.4 Wh/L的能量密度，并表现出了稳定的循环性能。

论文第一作者是我院2014级博士生刘祎阳，通讯作者是相艳教授和卢善富副教授。该工作得到国家自然科学基金项目的支持。