一個(gè)中日聯(lián)合團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種鈦熔鹽氧化還原液流電池，使用豐富的鈦離子和熔鹽電解質(zhì)，以實(shí)現(xiàn)高電壓、快速且穩(wěn)定的電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能。與釩基電池相比，該系統(tǒng)表現(xiàn)出超過(guò)97%的高效率、強(qiáng)的循環(huán)穩(wěn)定性，以及改進(jìn)的成本和可擴(kuò)展性，進(jìn)一步的優(yōu)化工作正在進(jìn)行中。

新型鈦熔鹽氧化還原液流電池示意圖 | 圖片來(lái)源：北京科技大學(xué)

一個(gè)中日聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種鈦熔鹽氧化還原液流電池，該電池使用鈦離子作為氧化還原活性材料，熔鹽作為電解質(zhì)。

該電池旨在用于電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能，與傳統(tǒng)的釩氧化還原液流電池設(shè)計(jì)相比，旨在提供更高的充放電電流密度。

科學(xué)家們解釋說(shuō)，與釩相比，鈦是一種更為豐富的元素，解決了供應(yīng)和成本限制問(wèn)題。他們強(qiáng)調(diào)：“鈦是地殼中含量第七豐富的金屬，地殼元素豐度為0.56%，是釩的35倍。因此，鈦熔鹽氧化還原液流電池中氧化還原活性材料的可持續(xù)供應(yīng)無(wú)需擔(dān)憂。”

該系統(tǒng)使用多種氧化態(tài)的鈦離子運(yùn)行，陰極采用Ti??/Ti³?氧化還原電對(duì)，陽(yáng)極采用Ti³?/Ti²?氧化還原電對(duì)，從而實(shí)現(xiàn)可逆的氧化還原反應(yīng)。它還采用了熔鹽電解質(zhì)，例如氯化鋰-氯化鉀和氯化鈉-氯化鎂-氯化鉀，科學(xué)家們表示這些電解質(zhì)具有寬的電化學(xué)穩(wěn)定窗口和高離子電導(dǎo)率，同時(shí)支持高效的高壓運(yùn)行、快速的充放電速率以及在300-450°C溫度下的穩(wěn)定循環(huán)。

該電池還采用多孔氧化鋁坩堝作為隔膜，以及通過(guò)鎳引線連接的碳和石墨電極。四氯化鈦被小心地引入系統(tǒng)中，并使用氟化鋰添加劑控制其蒸發(fā)。

電池組裝時(shí)，隔膜置于正極室和負(fù)極室之間。負(fù)極由多層碳網(wǎng)組成，連接到作為集流體的石墨棒和作為引線的鎳棒上。另一側(cè)使用了類似的配置，包括一個(gè)中空碳圓柱體。含有鈦離子的熔鹽電解質(zhì)被加入電池中，并在正極側(cè)加入氟化鋰以抑制四氯化鈦的蒸發(fā)。

隨后，完整的電池在電阻爐中的氬氣氣氛下運(yùn)行，以評(píng)估氧化還原行為和充放電循環(huán)穩(wěn)定性。此外，還使用了基于第一性原理的分子動(dòng)力學(xué)模擬來(lái)跟蹤運(yùn)行期間的離子分布。

半充電狀態(tài)下的TMSRB橫截面的照片。(b) Al2O3坩堝隔膜（孔隙率：20%）的照片和SEM圖像。這種簡(jiǎn)單的多孔陶瓷隔膜證實(shí)了TMSRB的無(wú)膜設(shè)計(jì)，并有助于實(shí)現(xiàn)低成本、長(zhǎng)壽命和高充放電倍率。

分析證明了多價(jià)鈦離子作為高性能電池氧化還原活性材料的適用性。在400°C的熔融LiCl-KCl中進(jìn)行的循環(huán)伏安法和方波伏安法顯示出清晰且可逆的Ti²?/Ti³?和Ti³?/Ti??氧化還原反應(yīng)，科學(xué)家們表示這可以提供約1.55V的高理論電池電壓，如果包括Ti/Ti²?則可擴(kuò)展至1.80V。此外，發(fā)現(xiàn)多個(gè)穩(wěn)定的氧化態(tài)和明顯的氧化還原轉(zhuǎn)變進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性和穩(wěn)定性。

研究人員還確定，可以調(diào)整熔鹽成分以優(yōu)化成本、溫度范圍和電化學(xué)性能。在不同電解質(zhì)中的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了在寬溫度范圍內(nèi)一致的氧化還原活性和高電壓。

此外，實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，即使在高的充放電倍率下，庫(kù)侖效率也超過(guò)97%，且循環(huán)“穩(wěn)定”。在各種熔鹽系統(tǒng)中性能依然強(qiáng)勁，突出了其魯棒性和適應(yīng)性。

學(xué)者們強(qiáng)調(diào)：“總之，所開(kāi)發(fā)的鈦熔鹽氧化還原液流電池具有巨大優(yōu)勢(shì)，特別是更高的工作電壓、極高的庫(kù)侖效率、快速的充放電能力以及豐富且低成本的原材料。進(jìn)一步的工程優(yōu)化——例如先進(jìn)電堆設(shè)計(jì)、增強(qiáng)的熱管理策略，以及對(duì)系統(tǒng)級(jí)性能指標(biāo)（包括電壓效率、能量效率、電解液罐容量和實(shí)際體積能量密度）的更詳細(xì)評(píng)估——目前正在進(jìn)行中。”

該釩氧化還原液流電池系統(tǒng)發(fā)表于《電化學(xué)通訊（Electrochemistry Communications）》上的“用于電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能的的高性能氧化還原液流電池”一文。研究團(tuán)隊(duì)包括來(lái)自中國(guó)北京科技大學(xué)和日本東北大學(xué)的學(xué)者。

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（素材來(lái)自：北京科技大學(xué) 全球液流電池網(wǎng)、新能源網(wǎng)綜合）