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南京大学金钟教授， ACS Energy Letters：突破电解液和膜材料限制，实现水系锂离子“泥浆”流体电池
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南京大学金钟教授， ACS Energy Letters：突破电解液和膜材料限制，实现水系锂离子“泥浆”流体电池

南京大学金钟教授， ACS Energy Letters：突破电解液和膜材料限制，实现水系锂离子“泥浆”流体电池 科学材料站
2022-02-04
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导读：该文章提出了一种高盐水系锂离子“泥浆”流体电池的原型设计

文 章 信 息

高盐水系锂离子“泥浆”流体电池
第一作者：韦杰
通讯作者：金钟*
单位：南京大学

研 究 背 景

为了将能源供应从高污染的化石燃料转换到太阳能、风能等间歇式、分布式的清洁能源，迫切需要与之相配套的大规模、低成本储能装置。水系氧化还原液流电池由于其可靠的安全性和易于模块化调控的电池结构，在固定式大规模储能应用中具有很宽阔的前景。但其发展受限于水系电解液窄的电压窗口和离子交换膜所带来的高成本。
为了解决上述问题，本文开发了一种基于高盐水电解液、储锂微粒浆液和商业透析膜的非传统水系锂离子“泥浆”流体电池。高盐电解液极大地扩宽了电池的可操作电压窗口，结合结构稳定、分散良好的储锂微粒泥浆，有望提高电池的能量密度。而商业透析膜的使用，将大大降低电池的系统成本，进一步推动大规模电网级储能技术发展。

文 章 简 介

本文中，南京大学化学化工学院介观化学教育部重点实验室、江苏省先进有机材料重点实验室金钟教授研究团队，在国际知名期刊ACS Energy Letters上发表题为“Hypersaline Aqueous Lithium-Ion Slurry Flow Batteries”的文章。
该文章提出了一种高盐水系锂离子“泥浆”流体电池的原型设计，该“泥浆”由可储存锂的活性物质微粒和导电剂混合分散在高盐水电解液中组成，并使用低成本的透析膜代替昂贵的离子交换膜作为隔膜。
图 1. 高盐水系锂离子泥浆流体电池的示意图。

本 文 要 点

要点一：分散稳定、导电性与流动性良好的储锂微粒泥浆
图 2. 活性物质微粒和泥浆的理化性质。
通过球磨后的含钒的活性物质颗粒（β-LiVOPO4, LiVPO4F, Li3V2(PO4)3 和VO2）在高浓度（21 m LiTFSI）电解液中均匀分散可以形成稳定的泥浆。并且使用扫描电子显微镜 (SEM) 和动态光散射 (DLS) 测量泥浆中颗粒的直径分布，确认其具有亚微米粒径。
对不同锂盐浓度电解液、不同比例导电剂和不同活性物质浓度的泥浆的分散性质、电子导电性、离子导电性以及粘度进行了测试，较为全面的研究了泥浆的理化性质，并总结了泥浆组成对泥浆理化性能影响的一般性规律。

要点二：拓宽水溶液电压窗口和抑制储锂活性物质溶解的高盐电解液
图 3. 高盐水系电解液和泥浆的电化学性质。
通过标准三电极系统和线性扫描测试（LSV）对不同LiTFSI浓度的电解液进行测试，发现以石墨毡作为工作电极，随着锂盐浓度从1 m增加至21 m，电解液的电化学窗口从1.5 V 扩展到3.0 V。对四种活性物质的泥浆进行循环伏安测试（CV），LiVOPO4||VO2，LiVPO4F||VO2 和 Li3V2(PO4)3||VO2氧化还原对在 21 m LiTFSI 水溶液中的电位差分别为 1.5、1.6 和 1.3 V。
此外，不同锂盐浓度电解液配置的泥浆的CV曲线可以证明，足够高的盐浓度可以有效抑制含钒活性物质的溶解，稳定含钒活性物质结构和提高活性物质的氧化还原反应可逆性。

要点三：基于廉价透析膜构建的长寿命水系锂离子泥浆流体电池（ALISFBs）
图 4. 以透析膜为分离器的 ALISFBs 的电池性能。
金钟课题组提出利用廉价的透析膜取代昂贵的离子交换膜，不仅可以大大降低电池系统的成本，而且利用其尺寸排阻效应可以有效隔离泥浆微粒的互相渗透以防止交叉污染，组装的电池库伦效率均接近100%。
本文对全电池EIS曲线、充放电曲线、倍率性能和长循环寿命均进行了测试。其中，LiVOPO4/MWCNTs 泥浆在1000次循环后保持低容量衰减率（0.033%/圈或1.25%/天）。值得注意的是，LiVPO4F||VO2 ALISFBs在1000多次循环后容量保持率接近100%，每循环或每天几乎没有衰减。

要点四：前瞻
得益于本文中独特的电池设计，水系锂离子泥浆流体电池在大规模、低成本、可持续的能源存储应用方面具有良好的发展潜力。
首先，透析膜的价格仅为离子交换膜的百分之一左右，大大降低了电池系统的成本。
其次，电解液在长时间循环前后一致的拉曼特征峰证实了其长期运行的高稳定性，这可以降低电池的维护成本。
第三，泥浆中的微粒可以采用过滤、离心等简单的液固分离方法轻松回收利用，极大地方便了活性物质的回收和再利用。最后值得一提的是，通过在未来的努力，水系锂离子泥浆流体电池的成本有望进一步降低，作者提出了以下的远景展望：
(1) 使用基于地球储量丰富元素（如锰、铁和钛等）的廉价活性物质代替钒基活性物质，可以进一步降低泥浆流体的成本。
(2) 通过调整优化活性物质微粒和导电剂的结构和界面，有助于改善二者之间电子接触，从而进一步减少导电剂的用量或者降低其成本。
(3) 通过优化泥浆成分，例如采用更加便宜的锂盐，可以良好的替代 LiTFSI，从而进一步降低锂盐的成本。

文 章 链 接

Hypersaline Aqueous Lithium-Ion Slurry Flow Batteries
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.2c00032

通 讯 作 者 简 介

金钟 教授
南京大学化学化工学院教授、博士生导师、南京大学新材料与能源技术研发中心主任。
本课题组正在招募副研究员、博士后和研究生，热诚欢迎有志于新能源和新材料研究的青年人才加盟！
课题组网站：https://hysz.nju.edu.cn/zhongjin/main.psp

第 一 作 者 简 介

韦杰
2018年获得湖南大学化学与化工学院学士学位。2018-迄今，在南京大学化学化工学院攻读博士学位。

课 题 组 介 绍

课题组主页：
https://hysz.nju.edu.cn/zhongjin/main.psp

课 题 组 招 聘

本课题组正在招募副研究员、博士后、研究生和本科生，热诚欢迎有志于新能源和新材料研究的青年人才加盟！


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