【成果总结】张华民研究员近十年液流电池重点研究成果总结（新体系方向）
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结果摘要
张华敏研究员十年液流电池关键研究成果总结
（新系统方向）
【关于作者】
张华民是国际知名液流电池专家，现任中科院大连化学物理研究所首席研究员、博士生导师，同时兼任大连融科储能技术开发有限公司首席科学家。是全国能源行业液流电池标准化技术标准委员会主任委员、国际电工委员会IEC/TC21 JWG7国际标准项目负责人。受聘为科技部973项目“大规模液流电池储能技术基础研究”首席科学家，入选中组部创新创业人才，发表学术论文400余篇，他引4.3万余次，获得国家发明专利授权300余项，主持制定30余项国际、国家及能源行业燃料电池、液流电池标准。 研究成果曾获首届“国家创新奖”、国家技术发明二等奖、中国科学院杰出科技成果奖、中国电化学贡献奖、辽宁省企业重大成果奖、辽宁省技术发明一等奖等多项奖励。
本文以张华敏研究员为通讯作者，以液流电池为关键词，检索近十年（2014-2024）发表的58篇文章。其中，电极/结构优化及机理探索类文章22篇，隔膜类文章26篇，新体系液流电池类文章10篇。本期将10篇新体系文章总结如下。
【文献综述】
1. 通过消除负极上的锌积累，提高循环稳定性的锌镍单液电池
锌积累被认为是影响锌镍单液流电池（ZNBs）循环寿命的最关键问题之一。本文提出了一种新的、非常具体的方法来处理上述问题。将通常被认为是负面因素的副反应促进到负极侧以平衡正极侧反应。设计了一种具有高反应面积和良好质量传输结构的新电极来促进负极侧反应。结果表明，这种新电极通过平衡正极和负极反应成功地解决了锌积累问题，在400次循环过程中负极上没有出现锌积累。本文提供了一种有效的方法来提高ZNBs的循环稳定性，这是ZNBs商业化最头疼的问题。
2.磷酸盐添加剂对全钒液流电池正极电解液稳定性的影响
研究了一系列磷酸盐作为添加剂来提高钒液流电池电解液的稳定性。两种选定的添加剂在原位稳定性测试和原位液流电池实验中表现出对电解质稳定性的积极影响。通过核磁共振 (NMR)、X 射线衍射 (XRD)、拉曼光谱、循环伏安法 (CV)、电化学阻抗谱 (EIS) 和充放电测试研究了添加剂对电解质的影响。结果表明，使用添加电解质的 VFB 表现出显著提高的氧化还原可逆性和活性，以及更高的能量效率。
3. 高功率密度锌镍单液流电池的性能及潜在问题
高功率密度和高效率可促进Zn-Ni单液流电池的快速充放电并降低成本，因而具有重要的技术意义。本文研究了高达300 mA cm-2（迄今为止获得的最高电流密度）的大电流密度下的电池性能及可能存在的问题。结果表明，由于电极电位分布的不均匀性和副反应的影响，库仑效率随电流密度的增加先升高后降低。正极深度放电，在放电过程的末期，大电流密度下锌在负极上沉积。随着电流密度的增加，沉积锌的形貌由光滑海绵状变为树枝状。此外，正极化是提高Zn-Ni单液流电池在大电流密度下性能的关键障碍。基于这些研究结果，我们指出了在不损失循环寿命的情况下实现高功率密度ZNBs尚存在的问题和难点方向。
4. 下一代高功率密度钒液流电池-展望
全钒液流电池（VFB）因其在大规模储能应用中的吸引力而受到越来越多的关注。然而，VFB储能系统相对较高的成本和高电流密度下严重的极化限制了其在实际工业应用中的使用。优化VFB关键材料（包括电极、电解质和膜）的性质，可以同时最小化极化和容量衰减。从而同时提高VFB的功率密度和能量密度。此外，基于VFB模型和仿真的虚拟研究的相关理论机制和基础可以指导这些优化。功率密度和能量密度的提高可以降低VFB储能系统的成本并加速其成功工业化。从这个角度出发，我们将讨论优化VFB关键材料性质的改性方法以及VFB模型和仿真研究。因此，将提供可用的思路和方法来指导VFB系统的功率密度和能量密度的进一步提高。
5.液流电池的研究与开发
液流电池（FB）在解决可再生能源的随机性和间歇性问题方面具有巨大潜力，近年来已成为研究的焦点。然而，目前FB系统的成功工业化仍然受到其相对较低的能量密度和高成本的限制。因此，迫切需要研究和开发具有高能量密度、高安全性和低成本的新型水相FB系统。近年来，已经探索了几种新的水相FB系统来克服传统FB和VFB的问题。还进行了进一步的修改以提高其性能。本文综述了有吸引力的新型水相FB系统，例如锌基和醌基FB系统，从其工作原理、优点、缺点、相应性质以及后续的修改方面进行了综述。此外，还回顾了新型水相FB系统的最新研究进展和未来研究方向。因此，本综述将为新型水相FB系统的开发提供指导和展望。
6. 用于固定储能的低成本、高能量密度中性锌铁液流电池
液流电池是储存可再生能源最有前途的固定式储能装置之一。然而，液流电池的高成本和低能量密度限制了其商业化进展。本文提出了一种成本极低、能量密度高的中性Zn-Fe液流电池。通过使用高溶解性的FeCl2/ZnBr2物质，可以实现56.30Wh L-1的电荷能量密度。DFT计算表明，甘氨酸可以与铁结合并抑制Fe3+/Fe2+的水解和交叉。结果表明，在40 mAcm-2下可以获得86.66％的能量效率，并且电池可以稳定运行超过100次循环。此外，使用低成本的多孔膜将成本降低到每千瓦时50美元以下，这是迄今为止报道的最低值。中性Zn-Fe液流电池兼具低成本、高能量密度和高能量效率的特点，是固定式储能应用的有希望的候选者。
7. Fe2+/Fe3+氧化还原介质提高钛锰单液流电池容量
水系锰基液流电池（AMFBs）因其低成本、环境友好等优势而受到广泛关注，延长AMFBs的循环寿命一直是一个具有挑战性的课题。钛锰单液流电池由于其特殊的结构和电解质组成而具有广阔的发展前景，然而高面容量的TMSFB却因未知原因而面临容量衰减。本文通过自制的原位显微镜系统阐明了容量衰减机制（MnO2的积累和生长）。为此，专门设计了Fe2+/Fe3+氧化还原介质来提升TMSFB的面容量且不发生副反应。详细阐述了Fe2+/Fe3+的定向促进原理。Fe2+与残留的MnO2发生化学反应生成Fe3+，Fe3+通过电化学反应还原为Fe2+。然后Fe2+继续与MnO2反应，直至MnO2完全消耗。 结果显示，TMSFB面积容量≈55 mA h cm−2，可在40 mA cm−2电流密度下稳定运行，这是目前报道的水系锰基电池中面积容量最高的。该工作为提高锰基电池的容量提供了一种新策略，也为其他沉积型电池的改进提供了启发。
8. 非水系锂/有机硫半固体液流电池
非水系液流电池因具有宽电压窗口、高能量密度和宽工作温度等特点而受到广泛关注。本文研究了具有高固有容量（/g）和高溶解度（在氯仿中约1 mol/L）的四甲基秋兰姆二硫化物（TMTD）作为非水系锂/二硫化物半固态液流电池正极活性物质。通过循环伏安法和线性扫描伏安法研究了其电化学活性和可逆性。此款高电池电压3.36V的Li/TMTD电池在电流密度为5 mA/cm-2、活性物质浓度为0.1mol/L时实现了99%的库仑效率、73%的电压效率和72%的能量效率。
9.碳膜高能量密度非水系溴化锂电池
具有高能量密度和长循环寿命的液流电池一直受到追捧，以促进储能和电网应用的发展。具有宽电压窗口的非水电池是一种有前途的技术，不受水电解的限制，但其低电解质浓度导致电池性能不令人满意。本文提出了一种具有快速氧化还原动力学和良好稳定性的非水溴化锂可充电电池，使用 Br2/Br− 和 Li+/Li 作为活性氧化还原对。锂/溴电池结合了高输出电压（~3.1V）、电解质浓度（3.0mol/L）、最大功率密度（29.1mW/cm2）和实用能量密度（232.6Wh/kg）。 此外，该电池在1.0 mA/cm2下连续运行100多次循环后，库仑效率（CE）为90.0%，电压效率（VE）为88.0%，能量效率（EE）为80.0%，这是迄今为止报道的非水液流电池的最长循环寿命。
10. 发布液流电池商业前景的专家评论，
【文献引用】
1. 锌在表面上的流动，Cheng, Lai, Li, Xi, Qiong Zheng, Cong Ding, Zhang, 2014, Acta.
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3. 高功率锌的流动 Cheng, Xi, Dan Li, Li, Lai, Zhang, 2015, RSC 。
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5. Flow：和，刘璐，张莉，2018，-a。
6.一种低成本、高导热性的锌铁合金材料，谢银琪，段银琪，徐建军，张莉，2017，。
7. Fe2+/Fe3+Redox 对流面积的影响, 吴楠, 刘玉琴, 乔林, 张马, 2022, Small .
8.非固态/半固态流动, Wang, Laia, Xu, Lia, Zhang, 2018, 。
9.非高与，奚、李、王、赖、程、徐、张，2017，的。
10.张，2014，。
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