锌溴单液流电池正极“固溴”材料构筑及构效关系研究

Single flow zinc-bromine battery has the advantages of high energy density and low cost. However, the permeation of bromine molecules from catholyte limits its further development. To solve this problem, the rivet of bromine in positive material is going to be developed in this program. Based on previous research of water-soluble bromide quaternary ammonium compounds and bromine complex can separate phase and unite, a network-like high surface area carbon material possessing a specific pore size distribution and surface functional groups is to be building at the micro level by the use of static filature method. With the concern of the material in both catalytic activity and stability, the function of rivet bromine is realized by fixed bromine inside the electrode material through space confinement and surface capture. At the same time, combined with modern physical, chemical characterization and electrochemical measurement, structure-activity relationship and bromine storage mechanism are going to be clarified. The realization of the idea, is expected to provide a complete set suppression strategy for bromine penetration, fundamentally realizes bromine penetration adjustable and controllable, and solves the potential risk of contamination brought by large scale application of zinc bromine flow battery and zinc bromine flow battery.

锌溴单液流电池具有较高的能量密度和价格优势，但正极溴单质渗透问题制约了电池的发展。本项目针对溴单质渗透问题，提出通过构筑材料的原位固定溴单质络合物功能，实现溴单质渗透抑制策略的创新思路。该思路在溴单质络合物独立成相的基础上，运用静电纺丝的方法，在微观层次上设计、调控、构筑具有特定孔径分布和表面官能团的网络状高比表面积碳材料。在兼顾催化活性、稳定性的同时，通过材料的孔径筛分和表面捕获作用，达到将独立成相的溴单质络合物固定在电极内部的目的。同时，结合现代物理、化学表征技术和电化学测试手段，阐明材料的储溴机制，揭示材料“构-效关系”。该思路的实现，有望提供一整套针对溴单质渗透的抑制策略，从根本上实现溴单质渗透的可调、可控，解决锌溴液流电池及锌溴单液流电池大规模实用化所带来的潜在污染风险。

可再生能源电能输出具有不连续、不稳定、不可控的特点，需要配备大容量储能装置。液流电池储能技术具有安全可靠、生命周期内性价比高、环境友好等优点，成为大规模储能的首选技术之一。金属锌具有储能丰富、成本低、能量密度高、氧化还原反应速率快等优点，成为一种合适的液流电池负极氧化还原电对，由此产生了多种液流电池。如：锌溴液流电池、锌溴单液流电池等。锌溴单液流电池具有较高的能量密度及价格优势，但正极溴单质渗透及较低的运行电流密度制约了其进一步发展。.本项目以项目任务书为指导，针对锌溴单液流电池存在的问题，在研究现有正极材料的基础上，提出并实现了利用有序分级孔碳材料作为溴单质反应催化材料，取得了优秀的电化学何电池性能。相关工作发表在能源类一区著名杂志 Nano Energy， 进一步的实现了基于孔径筛分概念的固溴、催化双功能材料，国内外首次实现了在80 m A/cm2电流密度下运行，能量效率达到80 %的性能指标，远远超过现有相关报道。该工作发表在材料类顶级刊物ADVANCED MATERIALS上。.同时，在基础研究的基础上，开发了1 KW锌溴单液流电池组，电池组在40 mA/cm2运行条件下，能量效率达到75%以上。并以高效正极催化材料为基础，在陕西安康搭建了国际首套5 KW/5KWh锌溴单液流电池风光储示范系统，取得了良好的社会效应。.综上，经过本项目三年的研究，解决了锌溴单液流正极催化与溴单质渗透的问题，在学术和应用领域均取得了优秀的结果。