液流電池具有循環(huán)壽命長、安全性好以及能量與功率可單獨(dú)調(diào)控的優(yōu)勢，在大規(guī)模儲能領(lǐng)域極具潛力，其中全釩液流電池的研究最為廣泛。

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目前全釩液流電池成本為3500~4500元/kWh，其中電解液的成本占液流電池總成本的60%~70%，受釩價格的影響巨大，限制了其應(yīng)用。因此，探索低成本的液流電池是推進(jìn)該技術(shù)發(fā)展的必要途徑。

Robert F.Service于2018年提出鐵基電解質(zhì)廉價且易于獲取和失去電子，是一種全釩液流電池電解質(zhì)的替代技術(shù)。

本文主要探討了鐵基液流電池的發(fā)展歷程，綜述了不同種類鐵基液流電池的研究進(jìn)展，分析總結(jié)了鐵基液流電池的優(yōu)勢和特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹其應(yīng)用情況，并對其未來的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

▲鐵基液流電池性能對比

由上表可知，鐵基液流電池具有明顯的成本優(yōu)勢；鐵鉻液流電池與鋅鐵液流電池的能量效率最接近全釩液流電池，但鐵鉻液流電池容量衰減率較高，鋅鐵液流電池在高電流密度下能量效率下降明顯；鐵釩、鐵鈦和全鐵液流電池的性能與全釩液流電池相比有較大差距。

鐵鉻液流電池

NASA在20世紀(jì)70年代便開展了鐵鉻液流電池的研究，是最早出現(xiàn)的液流電池系統(tǒng)，也是目前研究與示范應(yīng)用最多的鐵基液流電池。該電池以Fe2+/Fe3+為正極，Cr3+/Cr2+為負(fù)極，其優(yōu)勢在于活性物質(zhì)的成本較低，但負(fù)極緩慢的電化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)以及析氫副反應(yīng)影響了其性能。

對于鐵鉻液流電池應(yīng)重點(diǎn)開展電極、電解液等關(guān)鍵材料的研究，以解決反應(yīng)動力學(xué)緩慢和負(fù)極析氫的問題，從而提高液流電池的性能。此外，面向大規(guī)模儲能的應(yīng)用需求，應(yīng)推進(jìn)鐵鉻液流電池電堆設(shè)計(jì)及系統(tǒng)集成研究。

鐵鈦液流電池

除鐵鉻液流電池外，Thaller也探討了低成本的以Fe2+/Fe3+為正極、Ti3+/Ti2+為負(fù)極的鐵鈦液流電池系統(tǒng)。

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鐵鈦液流電池受限于負(fù)極較慢的電化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)，且能量效率較低，與其他液流電池系統(tǒng)相比并不具有優(yōu)勢。因此，對于鐵鈦液流電池的研究多集中于20世紀(jì)80年代，之后很少有相關(guān)的報(bào)道。

鋅鐵液流電池

在1979年，研究者提出了以Fe(CN)63－/Fe(CN)64－、Zn2+/Zn為電極電對的堿性鋅鐵液流電池，能量效率達(dá)到了74%。

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然而，該體系的鋅負(fù)極容易產(chǎn)生不規(guī)則的鋅枝晶，在循環(huán)過程中不斷生長，最終刺穿電池膜，造成電池短路，嚴(yán)重影響電池的循環(huán)壽命和可靠性。針對上述問題，研究者重點(diǎn)開展了帶負(fù)電荷的隔膜的研究。

鋅鐵液流電池與全釩液流電池相比，成本優(yōu)勢明顯，該電池具備工業(yè)應(yīng)用的潛力。

鐵釩液流電池

為結(jié)合全釩液流電池與鐵鉻液流電池的優(yōu)勢，美國太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室提出了一種以V2+/V3+為負(fù)極、Fe2+/Fe3+為正極的液流電池。

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與鐵鉻液流電池相比，負(fù)極的V3+/V2+比Cr3+/Cr2+更具電化學(xué)活性，避免了昂貴催化劑的使用。與全釩液流電池相比，正極電解液避免了高氧化性V5+的使用，可以用基于碳?xì)浠衔锏碾x子交換膜代替昂貴的Nafion膜，顯著降低液流電池系統(tǒng)的成本。

開發(fā)鐵釩液流電池旨在結(jié)合全釩液流電池與鐵鉻液流電池的優(yōu)勢，但由于負(fù)極以釩作為活性物質(zhì)，其成本仍受釩價格的限制，而且未解決電解液交叉污染的問題。因此，近年來對于鐵釩液流電池的研究并不多。

全鐵液流電池

全鐵液流電池是1981年由Hruska提出的，其正負(fù)極活性物質(zhì)為不同價態(tài)的含鐵化合物，解決了電解液互串的問題。近年來，全鐵液流電池因其成本優(yōu)勢受到研究者的廣泛關(guān)注，重點(diǎn)關(guān)注以下問題：

(1)因固體鐵參與電極反應(yīng)，能量與功率并未完全分開；

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(2)鐵在負(fù)極的沉積導(dǎo)致枝晶的形成；

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(3)負(fù)極電位低于標(biāo)準(zhǔn)電極電位導(dǎo)致發(fā)生析氫副反應(yīng)。

▲全鐵液流電池的電化學(xué)性能

面向大規(guī)模儲能領(lǐng)域的發(fā)展需求，針對傳統(tǒng)全釩液流電池高成本的問題，鐵基液流電池的開發(fā)為大規(guī)模儲能提供了一種更加經(jīng)濟(jì)的選擇。

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從最初的鐵鉻液流電池到正在持續(xù)發(fā)展的全鐵液流電池，鐵基液流電池吸引了越來越多研究者的關(guān)注。國內(nèi)外許多公司已經(jīng)開展了鐵鉻液流電池和鋅鐵液流電池的示范應(yīng)用，而全鐵液流電池是未來最主要的發(fā)展方向之一。

在鐵基液流電池快速發(fā)展的時期，仍需進(jìn)一步加強(qiáng)關(guān)鍵材料的研發(fā)工作，提高電極反應(yīng)動力學(xué)，解決負(fù)極析氫的問題，探索新的鐵絡(luò)合物電對以提高鐵基液流電池的性能，并不斷推進(jìn)大功率鐵基液流電池的工業(yè)化應(yīng)用。

參考資料：鐵基液流電池研究進(jìn)展；作者:曹中琦，張 英， 張力婕， 袁學(xué)玲

原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦儲能與充電）：鐵基液流電池研究進(jìn)展