赵东元/晁栋梁课题组Nat. Rev. Electr. Eng.:水系硫基液流电池面向商业化
赵东元/晁栋梁课题组Nat. Rev. Electr. Eng.:水系硫基液流电池面向商业化
水系液流电池是颇具前景的大规模储能技术。目前商业化应用以水系钒基液流电池(VRFB)为主,具有长寿命(10-20年)和高能量效率(>80%)优势,但受限于高成本(400-500 $/kWh)、低能量密度(25 Wh/L)及钒盐溶解度限制(<2 M)。
水系硫基液流电池(SRFB)凭借硫的低廉成本(约0.15 $/kAh)和多硫化物的高溶解度(理论可达8.8 M),理论成本优势显著(可低至38.7V $/kWh)。尽管硫-溴体系早在1984年已被提出,但相比VRFB的快速推进,SRFB的研究仍处于相对早期阶段,主要受循环寿命短和能量效率低等问题的制约。因此,复旦大学先进材料实验室赵东元/晁栋梁课题组基于工程角度,系统总结了SRFB走向商业化面临的主要挑战,并提出了一些有望实现SRFB商业化的工程策略,为SRFB的实用化提供了新思路。
SRFB走向商业化主要面临三大挑战
1) 循环寿命短:普遍低于200次循环。主要源于可溶性多硫化物易穿过隔膜到达对电极,引发活性物质流失,并对电极/电解液造成降解。
2) 能量效率低:通常低于50%。核心原因是硫还原反应/硫氧化反应动力学缓慢,即使在有限的电流密度(10-20 mA/cm2)下,SRFB也会出现高过电位(>500 mV)。
3) 器件化设计与电解液瓶颈:电解液设计对提升性能至关重要。为平衡高浓度下的粘度、电导率与渗透压,多硫化物的实际工作浓度通常被限制在3 M以下,限制了能量密度的提升。
图1用于大规模储能的水系SRFB从实验室到工厂的战略蓝图
基于以上讨论,为了实现SRFB未来的商业化,从现在开始应该优先将稳定性评估整合到膜、催化剂和器件工程中。此外,推动SRFB从实验室迈向产业化,需整合化学、材料科学、电气工程、能源与环境科学等多学科力量。学术研究应紧密对接产业需求,从以下关键工程方向入手,协同突破基础科学与器件化难题:
1)隔膜工程:开发兼具高离子选择性与高电导率的离子交换膜,如优化SPEEK(磺化聚醚醚酮)、磺化聚砜、磺化聚酰亚胺等材料,并探索新型耐用的共价有机骨架膜和介孔膜。
2)电极与催化剂工程:设计具有超高比表面积的低成本电极;通过构筑异质结、引入缺陷和掺杂等手段,开发高性能SRR/SOR固体催化剂。
3)电解液工程:筛选稳定液相氧化还原介质(如蒽醌、亚甲基蓝衍生物),加速SRR/SOR反应,降低过电位。调控溶剂化结构,抑制多硫化物穿梭。开发抗冻电解质体系,拓展极端寒冷气候下的应用。
4)新型活性物质与系统集成:探索新型低成本、高溶解度氧化还原电对;协同优化从电池单元到电堆、乃至整个系统层面的兼容性设计。
此工作通过聚焦SRFB走向商业化面临的核心问题,基于工程角度提出了一些潜在的解决方案,有望加速实现SRFB商业化,为大规模储能开辟了新的可能性。
相关成果以Aqueous sulfur-based redox flow battery为题发表于Nat. Rev. Electr. Eng.上。复旦大学先进材料实验室晁栋梁教授为该论文通讯作者,2023级博士生张俊伟为第一作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、博士后基金等资助。
原文链接:https://www.nature.com/articles/s44287-025-00153-x