深理工梁国进团队: 有效局域高碘浓度层复合膜⇒高可逆锌碘液流电池

科技   2024-11-08 16:30   河北  

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研究背景

液流电池 (FBs) 因其设计灵活性、出色的可扩展性以及令人满意的功率和能量特性而被认为是理想的候选方案。其中,锌碘液流电池 (ZIFBs) 由于其低成本、固有安全性和优越的电化学性能而备受关注。
  • 然而,在 ZIFBs 中存在着多碘离子 (Ix-) 的穿梭问题,尤其在高面积容量下会导致容量的持续损失,进而降低库仑效率 (CE) 和能量效率 (EE)(图 1 a-b)。
  • 此外,作为大规模储能系统,液流电池将与室外清洁能源转换系统集成使用,这使其必然暴露在高温环境中。高温会加剧多碘离子的穿梭效应,导致 ZIFBs 的 CE 和 EE 较差。

研究内容

近日,深圳理工大学梁国进助理教授和安徽大学胡海波教授带领研究团队基于低成本的多孔膜,开发了一系列基于氧化物-碘加合物的有效局域高碘浓度涂层复合膜,可以限制多碘化物 (Ix-) 的穿梭,减轻 ZIFBs 的容量损失问题。

该成果以 “Initiating a composite membrane with a localized high iodine concentration layer based on adduct chemistry to enable highly reversible zinc-iodine flow batteries”(《引入基于加合物化学的局部高碘浓度层复合膜以实现高可逆的锌碘液流电池》)为题,发表在英国皇家化学会期刊 Chemical Science 上,并入选为 2024 Chemical Science HOT Article Collection

该工作中的局域高碘浓度涂层复合膜是通过利用加合物化学理论,在碘物种和一系列低成本氧化物(如 MgO、CeO2、ZrO2、TiO2 和 Al2O3)之间形成强化学吸附而构建的。其中,MgO-LHIC 复合膜具有最强、最稳定的碘吸附能力,可以通过 Donnan 排斥和浓度梯度效应最有效地抑制碘的交叉。本工作提出了一种经济高效且易于应用的策略,利用低成本膜制造锌-碘液流电池来解决多碘化物物种的穿梭问题,为 ZIFBs 的实际应用奠定了基础。

  • Figure 1. Different processes in ZIFBs with a porous polyolefin membrane and a LHIC composite membrane. (a) Schematic of a ZIFB employing ZnBr2 as the negolyte and ZnI2 as the posolyte. (b) Cross-over of Ix through the porous polyolefin membrane would lead to rapid cell failure of ZIFBs. (c) A LHIC composite membrane repels the negatively charged active materials (Ix) from cross-over owing to the negatively charged MgO layer.

  • Figure 2. (a) Optical photographs of different pristine oxides and the adsorbed adducts. (b) Iodine mass retention in different adducts by placing at 70 °C for different durations. (c) XRD profiles of MgO and the MgO–iodine adduct with the drying duration. (d) Raman spectra of the MgO–iodine adduct with different drying durations. (e) The ratio variations of I3/I5 in different oxide–iodine adducts with different drying durations according to the Raman results in Fig. S8. (f) Adsorption configurations of polyiodides on different oxides, respectively. (g) Comparison of adsorption energies with I3 and I5 in different adducts, respectively.

  • Figure 3. (a) UV-vis analysis of the permeate side based on the MgO-LHIC composite membrane. The inset shows the corresponding optical photographs. (b) The Ix permeability through different membranes in blank 1 M KIx. The fits of the −ln(1−CB/CA) vs. t (time) plots were obtained by linear fitting. (c) The corresponding permeability of different X-LHIC composite membranes. (d) SEM cross-section of the MgO-LHIC composite membrane. (e) Comparison of ionic conductivities between the porous polyolefin membrane and MgO-LHIC composite membrane. (f) I–V curves of the blank porous polyolefin membrane and MgO-LHIC membrane. (g) Zeta potential of the porous polyolefin membrane and the MgO-LHIC composite membrane. (h) Donnan repulsion diagram of the MgO-LHIC composite membrane.

  • Figure 4. (a) CE, VE, and EE of ZIFBs based on the MgO-LHIC composite membrane at different current densities. (b) Charge–discharge curves of the MgO-LHIC composite membrane-based ZIFBs at different current densities. (c) The voltage and power density of the ZIFBs based on the porous polyolefin membrane and MgO-LHIC composite membrane, respectively. (d and e) The cycling performance of ZIFBs at 20 mA cm−2 based on the MgO-LHIC composite membrane and the corresponding capacity–voltage profiles at different cycles. (f and g) The cycling performance of ZIFBs at 20 mA cm−2 based on the porous polyolefin membrane and the selected capacity–voltage profiles.

  • Figure 5. (a) Schematic of ZIFBs for energy storage applications in high temperature regions. (b) CE, VE, and EE of ZIFBs based on blank porous polyolefin and MgO-LHIC composite membranes. (c) The charge–discharge curves of the MgO-LHIC composite membrane-based ZIFBs at different current densities. (d) The voltage and power density diagram of ZIFBs at different current densities based on porous polyolefin and MgO-LHIC composite membranes. (e) The cycling performance of ZIFBs at 20 mA cm−2 based on blank porous polyolefin and MgO-LHIC composite membranes and (f and g) the corresponding capacity–voltage profiles at different cycles, respectively.

论文信息

  • Initiating a composite membrane with a localized high iodine concentration layer based on adduct chemistry to enable highly reversible zinc-iodine flow batteries
    Yichan Hu, Tao Hu, Yuanwei Zhang, Haichao Huang, Yixian Pei, Yihan Yang, Yudong Wu, Haibo Hu*(胡海波,安徽大学), Guojin Liang*(梁国进,深圳理工大学)  and Hui-Ming Cheng
    Chem. Sci., 2024, 15, 14195-14201
    https://doi.org
    /10.1039/D4SC04206A

作者简介

胡议阐 博士研究生
湖南大学/深圳理工大学

本文第一作者,湖南大学与深圳理工大学联合培养博士研究生,聚焦水系锌基液流电池高性能电极材料/电解液材料开发,相关工作已在 Chemical Science、Energy Storage Materials 等期刊发表。







胡海波 教授
安徽大学
本文通讯作者,教授/博士生导师,安徽省 BR 计划和优秀青年科学基金获得者。2013 年 6 月于中国科学技术大学取得理学博士学位,随后在中国科学院固体物理研究所,香港理工大学(Research Fellow),香港城市大学(Senior Research Associate),从事科学研究工作, 2020 年以高层次人才计划加入安徽大学材料科学与工程学院,任职教授。课题组主要致力于锌基储能器件设计与制备,近三年(2021-2023)在 Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano、Energy Storage Materials 等国内外重要学术期刊上发表 SCI 收录论文 25 篇,包括 5 篇 ESI 高被引论文。








梁国进 助理教授
深圳理工大学
本文通讯作者,深圳理工大学任职助理教授,获得广东省珠江计划青年拔尖人才、深圳市海外高层次人才称号。近年来,面向新型储能材料和技术的国家重大需求,围绕水系离子电池和液流电池体系中高能量电极材料可逆性差、电极/电解液界面材料稳定性差等关键科学问题,开发出一系列高性能长寿命水系电池材料及器件。2022-2024年连续入选全球前2%顶尖科学家、2023年科睿唯安全球高被引科学家。以第一/通讯作者身份发表 40 余篇高水平SCI论文,包括 Nat. Rev. Mater.、 Nat. Nanotech. (News & Views)、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem. Sci. 等材料与能源期刊。申请 16 项专利,其中已授权中国专利 2 项,美国专利 4 项。主持国家自然科学基金、广东省、深圳市自然科学基金面上项目多项。


信息来源:RSC Materials Science


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