新型电化学电源：铅碘混合氧化还原流邱健蓄电池
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邱健蓄电池 发布时间：2026-08-10 20:45:55 点击： 次
储能系统是能源电网中重要的组成部分，促进能源行业从化石燃料向可再生能源的转型。氧化还原流电池针对储能系统的高能量端开发。提出了铅碘混合氧化还原流动电池的概念。电池基于以下工艺：负极处金属导线转化为碘铅酸HPbI3 在2电子过程中。在正电极处发生1电子转变，羟基-聚氢碘酸。两种电解质都含有浓缩的HI。流动电池中两种电解质中的阳离子大多是水合质子。细胞的各个区室由阳离子交换膜分隔。电流流经细胞时，主要导致质子通过膜的运输。旋转盘电极和小型未优化氧化还原流电池的实验验证了这一概念。电池经历了30次深充放电循环，损失了50%的放电能力。容量损失至少部分归因于电解液流动将铅粉从负极腔室中去除。 30周期平均电流效率为94%。氢的发生与负极铅沉积竞争被发现是导致电流效率相对较低的原因。
简介
能源行业从化石燃料向可再生能源的持续转型需要电网基础设施的充分现代化。储能系统（ESS）是平衡电网天气和时限风能和太阳能发电与电力消耗的关键要素。各种低功率、并网连接能源的消费者出现，也要求安装分布式ESS以平衡电网，避免昂贵的长途电力运输。ESS有多种类型，包括重力、动能、电磁、抽水、压缩空气和电化学系统。电化学储能是最灵活的系统，能够提供非常广泛的电力——从为手表供电到短期更换电厂。氧化还原流电池（RFB）针对储能系统的高能量端开发。与传统次级电池不同，RFB中的反应物以液态电解质的形式储存在电化学反应器外部。含有反应物的电解质，在负极和正极参与电化学过程，分别称为猫解质和正解质。反应器内正负极区间通常由膜分隔，防止电解质混合。由于模块化设计、可扩展性和适中的维护成本，RFB特别适合大规模ESS。许多电化学反应被提议用于射频电波器。然而，RFBs的潜力在现有化学条件下尚未完全发挥。所有RFB系统的严重缺点是能量密度低，导致储能成本较高。现代最先进的钒RFB的能量密度在20–30 Wh·L−1[1,2]，比锂离子电池低十年[3,4]。近年来，关于RFB发展各方面的综述已发表，例如[[5]、[6]、[7]、[8]、[9]]。
在本研究中，我们提出了一种潜在用于RFBs的新化学方法。该系统基于两种电化学过程，这些过程长期应用于电化学技术：铅的沉积/溶解以及碘/碘还原对的转化。碘是一种成本相对较低、毒性低且在海水中含量高的材料——容量为50-85微克升−1[10]。碘的比容量可达0.21 Ah g−1.所有这些都使碘成为化学动力源中有前景的阴极材料 [[11]， [12]， [13]， [14]， [15]]。铅是Planté铅酸电池的主要反应材料，这些电池至今仍广泛应用于汽车及许多其他领域。在同一块氧化还原电池中使用这些截然不同的材料，对电解质的选择施加了严格限制。其中最严厉的限制是防止电化学活性物质在电流通过细胞时穿透，从骨解物到阳解物，反之亦然。使用离子交换膜将相反电极的隔室分隔，只有当离子在膜内携带电流且在两个隔间中都常见且不参与电极的氧化还原过程时，才能帮助解决问题。该研究中使用了阳离子交换膜和细胞两个区室的强酸性电解质。放电状态下的猫解质为碘化铅PbI2溶解在浓水酸HI中。碘化铅几乎不溶于水溶液电解质中，但在浓缩氢碘酸中，它会形成可溶性碘铅酸HPbI3[16,17]:
碘铅酸解离应当产生水合质子和复杂阴离子[PbI3]−.阴离子通过阳离子交换膜的运输受阻。在HPbI存在下负极的电化学反应3是铅的沉积/溶解。显然，这涉及HPbI的电化学还原3或PbI3−:ē
除了碘铅酸的存在外，我们未能找到关于该化合物性质的任何信息，包括它可能参与的电化学反应。
在HPbI饱和浓度下3反应的标准氧化还原电位（2）应接近标准反应电位：ē
放电状态下的正水解质主要含有浓缩的氢化合物。氢碘酸的电化学氧化会生成溶解在酸中的碘，形成多碘化氢。浓度超过60%的水性碘饱和中，每单分子含4个游离碘原子[18]。在正极反应中，反应包括碘化物-多碘化物的转化：ē
反应动力学（4）依赖于电极的电催化性质。标准电位相对于标准氢电极，随后给出[19]。标准电池电压为E0= 0.901 V。
在这两种电解质中，唯一的阳离子是水合质子。离子电流通过膜，分隔细胞的各个区室，主要导致质子通过膜从一个区室转移到另一侧。
反应的标准电位（3）远低于平衡氢电位。铅电极在水相HI中热力学上不稳定。然而，铅是一种具有极高氢化过压的金属[20]。高氢过压使铅酸电池[21]能够正常工作，并开发可溶性铅酸流电池[22,23]。尽管如此，铅的沉积可能会伴随着氢的演化，尤其是在高电流密度下沉积。负极铅也可能因氢去极化腐蚀而损失。
本研究的目标是提出一种可用于新型电化学ESS的新化学方法，并提出应解决的基本问题，使该化学可行性得以实现。
