新型高能量密度半固态多重氧化还原液流电池的性能研究和优化

Redox flow batteries (RFBs) are one of the most promising battery energy storage technologies, owing to its design flexibility in decoupling power and energy. However, the RFBs have been suffering from low energy density, which significantly decreases its competitiveness for both mobile devices and electric vehicles applications. This research aims on developing a novel high-energy-density multiple redox semi-solid-liquid (MRSSL) flow battery with high-stability, low-cost and high-compatibility. The system not only permits solid phase concentration beyond solubility limit but also increases the energy density from liquid phase. Method of composite synthesis is proposed to increase the electrochemical performance of solid phase and stability of the system. Interaction mechanism between solid phase and liquid phase in semi-solid suspension is revealed by combining electrochemical experiments, property characterization and mechanism analysis, which provides a connection between electrochemical property and rheological property. Influence of viscosity, flow rate and flow frame on system performance is investigated for non-Newtonian semi-solid suspension, which can provide basis for the future practical application of MRSSL flow battery. This research results could provide a new design concept of novel high-energy-density flow battery and contribute to the application of MRSSL flow battery on mobile devices and electric vehicles fields.

由于具有方便解耦能量和功率等特点，液流电池已成为十分具有前景的电池储能技术之一。然而，其能量密度较低的缺点，极大限制了其在移动设备和电动汽车等领域的应用。本项目拟开发一种新型稳定性高、价格低且兼容性好的高能量密度半固态多重氧化还原液流电池。该体系不仅固态活性物质打破了溶解度的限制，同时液态活性物质也提供了额外能量，从而进一步提高能量密度。通过合成复合物方法，提高固态活性物质性能，优化体系稳定性。并且结合电化学实验、性质表征和机理分析等方法，揭示半固态多重氧化还原液流电池中固液两相间相互作用机理，建立起电化学性能与流变性能之间的联系。针对悬浮液非牛顿流体性质，探究粘度、流速和流道形状等对系统性能的影响，为未来半固态多重氧化还原液流电池实际应用提供基础。通过本项目的研究，将会对新型高能量密度液流电池的开发提供新的参考思路，并对半固态多重氧化还原技术运用于静态储能和电动汽车等领域做出重要贡献。

液流电池具有解耦能量和功率等优点，在静态储能和移动储能方面具有很大的应用前景。然而，较低的能量密度极大地限制了其在应用中的竞争力。本项目旨在开发稳定性高、价格低且兼容性好的新型高能量密度半固态多重氧化还原液流电池。该体系充分利用半固态悬浮液中固液两相均能提供能量的优势，为液流电池在更多领域的应用提供了可能。首先，通过使用高溶解度2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物作为液相活性物质，合成高稳定性的10-甲基吩噻嗪复合物作为固相活性物质，成功展示了一种高电池电压（~3.4 V）和高能量密度（260 Wh L-1）新型有机半固态多重氧化还原液流电池系统，并总结出该体系设计与优化方法，为更多此类型液流电池的开发提供了方向，并且固液两相相互作用机理也得到了初步的探索与讨论；此外，针对半固态悬浮液存在粘度较大、稳定性不高且长时间放置容易分层的缺点，通过在活性物质复合物合成过程中引入粘结剂的方法，对悬浮液性能进行优化，成功开发出一种低电位（0.6 V vs Li/Li+）CuSi2P3@C-LiPAA复合物，作为半固态负极液活性物质，实现了400 Ah L-1高体积比容量，并成功应用于全电池系统中，实现稳定循环特性。在该工作中，我们首次讨论了粘结剂对于形成稳定均匀半固态悬浮液的重要作用；最后，针对半固态悬浮液流动过程中流动阻力损失较大的问题，本项目采用在流道内引入3D集流体的方法，消除悬浮液中导电碳的组分，从而到达降低悬浮液粘度，提高活性物质含量，增加能量密度的效果，该流道设计与优化方法，对于实现半固态液流电池的大规模应用有着重要的指导意义。通过本项目的研究，对新型半固态多重氧化还原液流电池的开发提供了重要的参考思路，为其在电动汽车等更多领域的应用提供了发展方向。