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日前，長沙理工大學(xué)儲能研究所教授賈傳坤、丁美聯(lián)合中南大學(xué)副教授劉金龍、清華大學(xué)深圳國際研究生院副教授周光敏創(chuàng)新性研發(fā)了首款低成本高能量密度鋅-高錳液流電池，相關(guān)成果發(fā)表在國際知名期刊Energy Storage Materials《儲能材料》上。這一新型液流電池技術(shù)有望為中大規(guī)模儲能提供新方案。

實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，能源是主戰(zhàn)場，儲能技術(shù)則是能源轉(zhuǎn)型和能源安全的關(guān)鍵技術(shù)。隨著儲能行業(yè)向著高效率、低成本、靈活運(yùn)行方向快速發(fā)展，亟需開發(fā)性能更好、成本更低和壽命更長的新型儲能電池體系。液流電池以其功率與能量獨(dú)立、設(shè)計(jì)靈活簡單和循環(huán)壽命長等優(yōu)點(diǎn)，是目前最具應(yīng)用前景的中大規(guī)模儲能技術(shù)之一。但與此同時(shí)，液流電池儲能技術(shù)要滿足商業(yè)化應(yīng)用要求，仍面臨提質(zhì)降本的挑戰(zhàn)。因此，開發(fā)由來源廣泛、價(jià)格低廉的氧化還原活性物質(zhì)構(gòu)成的液流電池體系，意義重大且迫切。

 

鋅在地殼中儲量豐富，且在堿性條件下，鋅具有較低的氧化還原電位，理論容量高，是較為理想的電池負(fù)極活性材料。地殼中錳儲量同樣豐富，高錳酸根離子的氧化還原電位較高，同時(shí)其鈉鹽有較大的溶解度，但由于其較強(qiáng)的氧化性和腐蝕性，嚴(yán)重限制其在液流電池中的使用壽命。

 

基于上述背景，賈傳坤團(tuán)隊(duì)開發(fā)了具有更好電化學(xué)活性、更強(qiáng)穩(wěn)定性和抗氧化性的石墨烯復(fù)合碳?xì)蛛姌O，成功破解了高錳酸鈉作為正極活性物質(zhì)的傳統(tǒng)壁壘，開發(fā)出首款低成本高能量密度的鋅-高錳液流電池。

 

據(jù)測試，該款電池在能量密度、穩(wěn)定性及成本方面均表現(xiàn)優(yōu)異。該電池電壓達(dá)1.98 V，是目前已報(bào)道具有單層隔膜結(jié)構(gòu)的水系液流電池最高值，全電池的實(shí)際能量密度能夠達(dá)到 97.8 瓦時(shí)/升，可高達(dá)傳統(tǒng)水系液流電池能量密度的4倍；得益于石墨烯改性碳?xì)蛛姌O的優(yōu)異性能，該電池能夠循環(huán)5000次，穩(wěn)定性突出；其優(yōu)異的倍率性能和較高的峰值功率密度拓展了該電池在調(diào)頻調(diào)峰等場景的應(yīng)用可能。當(dāng)前，由該款電池構(gòu)建的小型電堆可以穩(wěn)定運(yùn)行超過1200個(gè)循環(huán)，容量保持率達(dá)到77.7%。加之其更為低廉的成本，商業(yè)化應(yīng)用的潛力蔚為光明。

 

據(jù)悉，該成果于2019年8月申請發(fā)明專利，在世界上最早對鋅-高錳液流電池技術(shù)進(jìn)行了保護(hù)，并于2022年2月獲得專利授權(quán)。基于鋅-高錳液流電池低成本、高能量密度和良好電池性能等優(yōu)點(diǎn)，有望廣泛應(yīng)用于中大規(guī)模儲能領(lǐng)域，為實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)和可持續(xù)發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)技術(shù)支撐。目前，該成果已完成專利技術(shù)轉(zhuǎn)化，研究人員正在進(jìn)行產(chǎn)品小試。

 

長沙理工大學(xué)碩士研究生向維哲、楊明輝為論文共同第一作者。長沙理工大學(xué)能動學(xué)院教授丁美、賈傳坤，中南大學(xué)副教授劉金龍和清華大學(xué)深圳國際研究生院副教授周光敏為論文共同通訊作者。