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近日,大连化物所储能技术研究部(DNL17)李先锋研究员团队和中国科学院化学研究所张燕燕副研究员合作,在全钒液流电池(VFBs)正极电解液稳定性研究方面取得新进展。团队通过系统研究VFB正极电解液中五价钒离子的溶剂化结构随温度的转化过程,阐明了正极电解液沉淀析出机理,并据此提出了高稳定性钒电解液设计策略。
VFBs具有安全性高、效率高、寿命长等优势,在大规模电力系统储能领域具有广阔的应用前景。电解质溶液作为储能介质,其浓度和稳定性决定了电池系统的稳定性和能量密度。目前,正极电解液中五价钒 [V(V)] 在高温(> 45 °C)环境下易转化为五氧化二钒(V2O5)沉淀,影响了系统的可靠性,并对电池的热管理提出了很高的要求。
针对这一关键科学问题,研究团队结合从头算分子动力学(AIMD)模拟与原位液体飞行时间二次离子质谱(in situ liquid ToF-SIMS)表征技术,系统解析了V(V) 溶剂化结构从[VO2(H2O)3]+到 VO(OH)3的完整转化过程。
研究发现,水合V(V)离子([VO2(H2O)3]+)在高温和高浓度下会经脱水、去质子和质子转移过程,最终形成沉淀前驱体的偏钒酸(VO(OH)3)。第二次脱质子反应能垒最高,是反应的速率决定步骤。相比之下,硫酸根配位的V(V) 离子可有效抑制水分子的极化及后续去质子化过程,从而在高温环境下表现出优异的稳定性。基于上述机理,团队开发出混合酸钒电解液(2 MV),在50°C条件下实现单电池稳定运行3,000次以上。本研究不仅揭示了V(V) 溶剂化结构的转化机理,同时为提高电解液的稳定性,以及进一步提升VFB系统的可靠性和能量密度具有重要的指导意义。
上述成果以“Harnessing Solvation Chemistry of Pentavalent Vanadium for Wide-temperature Range Vanadium Flow Batteries”为题,于近日发表在《德国应用化学》(Angewandte Chemie International Edition)上。该工作的第一作者是我所DNL17博士研究生穆晨凯。上述工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、辽宁滨海实验室、中国科学院A类先导专项“基于高比例可再生能源的储能关键技术与示范”等项目的支持。(文/图 穆晨凯、李天宇)
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