【摘 要】
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液流电池作为一种先进的大规模储能技术,可弥补间歇性能源发电的不足,最大化利用可再生能源发电;可应用于电力系统的各个环节,提高电力系统的可靠性和稳定性。传统的水系液流电池（全钒液流电池、铁铬液流电池等）受开路电压和活性物质浓度的限制,能量密度较低（<50 Wh/L）,限制进一步商业化应用。因此,开发新型的高能量密度的液流电池体系至关重要。本课题以正极活性物质铁氰化钾（K3[Fe（CN）]6）和高锰酸
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液流电池作为一种先进的大规模储能技术,可弥补间歇性能源发电的不足,最大化利用可再生能源发电;可应用于电力系统的各个环节,提高电力系统的可靠性和稳定性。传统的水系液流电池（全钒液流电池、铁铬液流电池等）受开路电压和活性物质浓度的限制,能量密度较低（<50 Wh/L）,限制进一步商业化应用。因此,开发新型的高能量密度的液流电池体系至关重要。本课题以正极活性物质铁氰化钾（K3[Fe（CN）]6）和高锰酸钠（Na Mn O4）作为主要研究对象,开发了两种高能量密度的锌基液流电池:碱性锌铁液流电池（Zn/Fe RFB,Zinc-Iron Redox Flow Battery）和碱性锌锰液流电池（Zn/Mn RFB,Zinc-Manganese Redox Flow Battery）。探索了不同因素对单电池性能的影响,为高能量密度液流电池的开发奠定了理论和实验基础。碱性Zn/Fe RFB以K3[Fe（CN）]6作为正极活性物质,锌片作为负极活性物质,氢氧化钠（Na OH）作为支持电解质,采用溶液浇注法制备不同磺化度的聚醚醚酮隔膜（SPEEK,Sulfonated poly（ether ether ketone））作为离子交换膜。结果表明,磺化度为57的SPEEK-Na型隔膜组装的单电池综合性能最好;调节Na OH的浓度,可以使得K3[Fe（CN）]6在Na OH中的溶解度高达1 M。60 m A cm-2的电流密度下,磺化度57的SPEEK-Na型隔膜组装的单电池实际能量密度为47.74 Wh/L,且在245次循环内能量效率维持在81.78%左右,容量保持率高达94%,电解液成本仅约为全钒液流电池的1/5。然而,该方法只能在一定程度上提高K3[Fe（CN）]6在碱性溶液中的溶解度,但仍受到K3[Fe（CN）]6自身溶解度的限制,所组装的碱性Zn/Fe RFB能量密度仍然较低。碱性Zn/Mn RFB的正极选用Mn O4-/Mn O42-氧化还原电对,采用Nafion212作为离子交换膜。结果表明,碱性条件下,该电对具有良好的电化学可逆性和合适的电极电位0.5 V（vs.Hg/Hg O）,且溶解度高达3.92 M;考虑到高浓度负极电解液Na2[Zn（OH）]4制备困难,基于Na2Mn O4和Na2[Zn（OH）]4组装的碱性Zn/Mn RFB实际能量密度仅仅只能达到41.1 Wh/L。基于Na Mn O4和Zn片组装的碱性Zn/Mn RFB实际能量密度可高达184.8 Wh/L,且在30 m A cm-2的电流密度下,电池在72次充放电循环内的库伦效率维持在97.54%左右,容量保持率高达81.44%。
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