【儀表網 研發快訊】在全球能源需求持續增長與化石能源儲量日益枯竭的雙重壓力下，可再生能源的規模化應用成為了保障能源安全與應對環境挑戰的關鍵。然而，可再生能源固有的間歇性引發的并網波動及電力消納困境，亟需發展以液流電池為代表的高效長時儲能技術。鋅碘液流電池基于鋅、碘元素豐富的自然儲量、本質安全和高能量密度等優勢，是新一代液流電池技術中極具發展前景的技術路線。然而，根據經典的“硬軟酸堿”理論，鋅碘液流電池正負極電解液中形成的離子配位結構一定程度影響了電解液穩定性，致使其規模化應用仍面臨技術挑戰。
近日，中國科學院金屬研究所腐蝕基礎與前沿研究部腐蝕電化學課題組唐奡研究員和李瑛研究員，在高性能鋅碘液流電池研究方面取得重要進展。研究團隊創新性提出鋅負極堿性電解液環境與碘正極多電子轉移路徑協同優化策略，通過構建Zn(OH)42−/Zn負極與I−/I2/I+正極，成功研制出開路電壓達2.385 V的鋅碘液流電池(圖1)，對發展高能量密度電池具有重要理論和實踐意義，相關成果以《A high-voltage alkaline zinc-iodine flow battery enabled by a dual-functional electrolyte additive strategy》為題，發表于《Advanced Functional Materials》，博士生楊靜為論文第一作者。
該研究在設計高電壓鋅碘液流電池基礎上，通過在堿性鋅負極添加同時具備含氧功能性官能團以及電荷載體的酒石酸鉀鈉，實現了對電解液離子結構-電極界面傳質行為的有效調控，電池輸出功率密度達到了616 mW cm−2，有效提升了22.8%，并在140 mA cm−2電密運行下實現了71.5%的能量轉換效率。更重要的是，2.5 M高濃度電解液可在120 mA cm−2下有效提升容量及能量密度至105.98 Ah L−1和185.18 Wh L−1(圖2)。材料表征結果表明，酒石酸鉀鈉顯著調控了鋅離子的原始配位平衡，加速了脫溶劑化過程。同時，酒石酸鉀鈉在電極表面優先吸附形成屏蔽層，均勻誘導了鋅離子遷移通量，優化了電流密度分布，克服了枝晶生長及死鋅累積的缺陷。此外，酒石酸鉀鈉通過氫鍵相互作用破壞了水分子間的原始氫鍵網絡，減少了電解液中自由水的數量，顯著抑制了析氫副反應(圖3)。本研究通過理論計算與多尺度表征技術聯用，從分子-介觀-宏觀多維度揭示了界面傳質過程與反應動力學的協同優化機制，為新一代液流電池技術中高可逆金屬負極的工程化開發與應用提供了新的技術路徑以及理論指導。
圖1. 堿性鋅碘液流電池設計策略
圖2. 堿性鋅碘液流電池綜合性能
圖3. 酒石酸鉀鈉對電解液離子結構以及電極界面的調控機制
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