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水系液流电池能量密度新记录：“解锁”碘化物液流电池
由于太阳能和风能具有随机性和间歇性，如何科学有效地将此类可再生能源转化为电能供人类使用及如何科学解决其非稳态特性，缓解电力系统供需矛盾成为所有能源科学家的研究课题之一。水系液流电池储能技术（RFB）因具有容量和输出功率相互独立、系统设计灵活、寿命长及安全性极高等特点，成为大规模电网能量储存应用中最为重要的技术之一。传统的水系全钒液流电池和锌溴液流电池由于材料成本较高，电解液腐蚀性大及能量密度低（< 60 Wh L-1）等局限性，导致其产业化进程缓慢。香港中文大学的卢怡君（点击查看介绍）团队一直致力于研发各种清洁能源技术，多项创新技术发表于国际高水平杂志(Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Adv. Energy Mater.等)。近期，卢怡君团队在国际著名能源杂志Energy & Environmental Science上报道的一种新型高能量密度的锌-碘溴液流电池技术高达101 Wh L-1，刷新了目前水系液流电池能量密度的记录（如下图所示）。该项技术由于使用便宜安全的化学品，中性温和的水系电解液和低廉的石墨毡电极而极具商业开发前景。
为了实现液流电池高能量密度和低成本的目标，卢怡君团队首先通过文献检索、科研经验及理论分析锁定高溶解度的碘化锌作为主要的活性电解液原料。在碘化锌液流电池中，碘离子和锌分别作为正极与负极的电化学活性物质。然而为了维持良好的循环性，在充电时，碘离子的正极反应一般会控制在2/3个电子的传输。此正极反应最终的产物为碘三负离子(I3-)，这就意味着有1/3的碘离子“浪费”了。那么，如何能把这“浪费”的1/3的碘离子利用起来呢？卢怡君团队通过进一步的研究和探索，首次创造性地提出通过在碘溶液中添加溴离子来“解锁”这1/3的碘离子（如下图所示）。该项技术发明，可以将以碘化物为主的电化学储能体系的理论最大储能容量再提高1/3。通过实验验证，该新储能体系比未添加溴离子的锌碘液流电池具有更高的能量密度（高达101 Wh L-1），循环性能也十分稳定。同时，团队通过电离子喷雾-质谱技术分析确认了该新体系的电化学机理。原来，大量的溴离子在充电过程中取代了碘三负离子中的碘离子形成碘溴离子(I2Br-)，从而“解锁”了该部分碘离子来进一步贡献于储能容量。该新体系的电化学反应由于没有涉及到任何腐蚀性强的物质，卢怡君团队认为该体系将会是一种极具潜力的电网储能体系。
由于此概念在水系碘化物储能体系中得到可观的储能优化，卢怡君团队试图将此创新概念引入至非水的碘化物储能体系。经过实验证明，在碘化物活性非水电解液中添加溴离子来增大储能容量的方法也适用于非水体系。在接下来的科研探索中，卢怡君团队将通过研发低廉且性能好的电极材料和膜材料来继续优化这些具备前景的储能体系。
该论文作者为：Guo-Ming Weng, Zhejun Li, Guangtao Cong, Yucun Zhou, Yi-Chun Lu*
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：
Unlocking the capacity of iodide for high-energy-density zinc/polyiodide and lithium/polyiodide redox flow batteries
Energy Environ. Sci., 2017, DOI: 10.1039/C6EE03554J
导师介绍
卢怡君
http://www.x-mol.com/university/faculty/37837