无氟质子传导膜驱动高性能、低成本铁基单液流电池实现大规模储能single bond铅单液流电池

为开发适用于大规模储能的安全、低本钱、高功率电池技能，学界已付出巨大尽力。本研讨中，铁基通过选用根据磺化聚乙砜（SPES）的无氟质子传导膜，铁铅单液流电池（FePbSFB）的功能得到进一步提高。该膜明显下降了资料本钱，提高了电池的能量功率，并缓解了与氟污染相关的环境问题。运用最佳磺化度的SPES膜时，FePbSFB在40至20 mA cm^-2的额外电流密度范围内可完成86.6%至92.7%的能量功率。−2，相较于先前选用的Nafion® N115膜，其功能提高了2.3%。此外，SPES膜的本钱可降至34.7美元/平方米。−2其价格缺乏Nafion®典型售价的7%。得益于FePbSFB温文的工作条件，SPES膜还展现出优异的循环稳定性，在500次充放电循环后仍能坚持功能。该膜的成功运用标志着FePbSFB向低本钱化迈出了重要一步。电池本钱分析进一步标明，FePbSFB中低本钱高功能膜的成功验证，为兼具本征安全性、高能效和低本钱优势的大规模储能运用铺平了路途。

导言

近年来，光伏发电与风力发电经历了快速增长，这使得功率输出波动成为不可避免的应战，加重了电网运行压力[1][2]。因此，需求大规模储能系统来提高电网的牢靠性与灵活性[3][4]。
氧化复原液流电池（RFB）因其功率与能量解耦特性、高安全性和长循环寿数，被认为是最具前景的长时储能（LDES）候选技能之一[5]。相较于锌溴液流电池（ZBFB）和铁铬液流电池（ICFB）等技能[6][7]，全钒液流电池（VFB）是当前最为成熟的RFB类型。但是，昂扬的初始本钱仍是其大规模部署的首要障碍[8]。此外，典型VFB系统的往复能量功率一般为65%至71%。由于必须增大系统容量及存在能量损失[8]，储能系统功率低下会明显提高其平准化储能本钱。
能源行业持续寻求兼具高安全性、低本钱、长寿数与高能效的电池技能，但完成这些目标仍面临严重应战，首要源于昂扬的本钱要素。为开发适用于电网规模储能的低本钱电池，学界已投入很多精力研制根据廉价丰厚活性资料的新型电池技能[9][10]。
铁和铅是全球储量丰厚的元素，其低价的价格使铁基和铅基电池在大规模运用中展现出潜力[11]。关于铁基和/或铅基氧化复原液流电池的开发已展开很多研讨，例如全溶型全铁水系液流电池[6][7][12][13]、全铁半液流电池[14][15]、全铁非水系液流电池[16]、全铅液流电池[17]以及全溶型铁铅液流电池[18]。但是，上述电池系统大多存在电极反响动力学迟缓、电解液不稳定性、副反响及枝晶生长等问题[19][20][21]。
在先前的研讨中，首款选用储量丰厚的铁和铅的FePbSFB被报道，其能量功率达到近89%[22]。为提高Pb/PbSO₄可逆性并延伸寿数，研讨团队开发了三维多孔固态阳极[23]。%%但是这些研讨均选用全氟磺酸（PFSA）膜（如N115）来保证足够的质子传导率和有效离子挑选性，这有助于阻挠铁离子产生不期望的交叉迁移。尽管如此，该FePbSFB的额外电流密度仍相对较低（10–40 mA cm3+与钒液流电池(VFBs)比较[24]，这意味着要完成相同的电堆功率，其所需膜面积将增加三倍以上。因此，全氟磺酸(PFSA)膜的高本钱导致全体电堆本钱难以接受，这仍是该技能面临的最要害应战之一。开发运用低本钱膜资料对于下降系统本钱、推动铁铅硫液流电池(FePbSFB)及其他新式氧化复原液流系统的大规模商业化至关重要。−2) compared with that of VFBs [24], meaning that more than three times the membrane area would be required to achieve the same stack power. As a result, the high cost of PFSA membranes makes the overall stack cost unacceptable and remains one of the most critical challenges for this technology. Therefore, developing and applying low-cost membranes is essential to reduce system costs and to promote the large-scale commercialization of FePbSFB and other emerging redox flow systems.
此外，人们日益关注与运用相关的per由于全氟和多氟化合物可能对健康和环境形成危害[25]，开发无氟电池隔阂对于保证电化学储能技能坚持环境可持续性至关重要。磺化聚乙砜(SPES)作为氧化复原液流电池的替代性质子传导膜已被广泛研讨，其本钱明显低于全氟磺酸(PFSA)膜且易于出产[26][27][28][29]。但是，碳氢化合物基隔阂在氧化复原液流电池中运用的首要问题在于其化学稳定性[30]。实际上，隔阂寿数很大程度上取决于特定电池系统的化学环境，碳氢聚合物膜在相对温文的电解液条件下往往表现出更牢靠的功能。与全钒液流电池(VFB)比较，本研讨开发的铁铅混合液流电池(FePbSFB)在氧化性较弱(0.77V vs SHE)和酸性较低(1-2M H+)的条件下运行。2SO4), 这使得SPES膜成为一种有用且经济的挑选。通过精确调控SPES的磺化度以平衡离子传导率与离子挑选性，SPES隔阂可运用于电解液相对温文的液流电池系统（如ZnFe系统）铁基及有机液流电池展现出卓越的功能、牢靠性与长久的运用寿数。