作者：姚禎1(圖片), 王銳1, 陽(yáng)雪1, 張琦1, 劉慶華1, 王保國(guó)2, 繆平1    

單位：1.北京低碳清潔能源研究院；2.清華大學(xué)化學(xué)工程系

引用：姚禎,王銳,陽(yáng)雪等.鋅鐵液流電池研究現(xiàn)狀及展望[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù),2022,11(01):78-88.

Doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0382

摘 要 鋅鐵液流電池由于安全、穩(wěn)定、電解液成本低等優(yōu)點(diǎn)成為電化學(xué)儲(chǔ)能熱點(diǎn)技術(shù)之一。本文介紹了鋅鐵液流電池的研究現(xiàn)狀，論述其主要優(yōu)勢(shì)，重點(diǎn)歸納并分析該電池研究過(guò)程存在的主要挑戰(zhàn)。鋅鐵液流電池可以在很寬的pH范圍內(nèi)工作，堿性鋅鐵液流電池開路電壓較高，搭配多孔膜和多孔電極后可以在較高的電流密度下長(zhǎng)期循環(huán)；酸性鋅鐵液流電池充分利用了鐵離子在酸性介質(zhì)中溶解度高、電化學(xué)性能穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)，但負(fù)極側(cè)受pH影響較大；中性鋅鐵液流電池由于其無(wú)毒無(wú)害、環(huán)境溫和逐漸受到關(guān)注，與多孔膜結(jié)合可有效降低電池成本。無(wú)論哪種鋅鐵液流電池，負(fù)極側(cè)都存在鋅枝晶和面容量有限的缺點(diǎn)，成為鋅鐵液流電池產(chǎn)業(yè)化必須考慮的問(wèn)題。針對(duì)這些挑戰(zhàn)，本文從機(jī)理出發(fā)綜述了鋅鐵液流電池的研究現(xiàn)狀，研究者結(jié)合實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬，通過(guò)優(yōu)化電解液、電極、隔膜、電池結(jié)構(gòu)等技術(shù)途徑，有望提升鋅鐵液流電池性能，推進(jìn)實(shí)際應(yīng)用技術(shù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞 液流電池；鋅鐵體系；鋅枝晶；鋅基電解液；儲(chǔ)能技術(shù)

隨著“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的提出，我國(guó)正以極快的速度大力發(fā)展清潔能源，風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源發(fā)電必將成為未來(lái)能源的主力，但可再生能源特有的間歇性和不穩(wěn)定性給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了重大挑戰(zhàn)，而儲(chǔ)能技術(shù)是一種有效的手段，可以幫助實(shí)現(xiàn)可再生能源的高效利用以及電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。相比于抽水蓄能等物理儲(chǔ)能技術(shù)，靈活性更高的電池儲(chǔ)能技術(shù)逐漸引起人們的注意。在諸多電池儲(chǔ)能技術(shù)中，液流電池由于其長(zhǎng)壽命、高安全性、高能效而成為頗具發(fā)展?jié)摿Φ拇笠?guī)模電池儲(chǔ)能技術(shù)。

液流電池主要利用正負(fù)極兩側(cè)溶液中活性物質(zhì)氧化還原狀態(tài)的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)充放電。如圖1所示，液流電池主要由電堆和兩個(gè)電解液儲(chǔ)罐構(gòu)成。電解液儲(chǔ)存在電堆外部的儲(chǔ)液罐中，通過(guò)泵輸送至電堆內(nèi)部，在電極處進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，反應(yīng)后的活性物質(zhì)隨著電解液流回外部?jī)?chǔ)罐。在陽(yáng)極和陰極之間是隔膜，可選擇性地允許支持電解質(zhì)透過(guò)以保持電解質(zhì)平衡。

圖1   液流電池示意圖

全釩液流電池是目前技術(shù)成熟度最高的液流電池技術(shù)，具有能量效率高(>80%)、循環(huán)壽命長(zhǎng)(>200000次循環(huán))、功率密度高等特點(diǎn)，適用于大中型儲(chǔ)能場(chǎng)景。然而，對(duì)于全釩液流電池來(lái)說(shuō)，釩電解液成本約占據(jù)電池成本的60%，大大提高了初始投資門檻。相比之下，鋅基液流電池由于其低成本的電解液受到越來(lái)越多的關(guān)注。鋅基液流電池是指鋅作為負(fù)極側(cè)活性物質(zhì)的液流電池。鋅電極具有可逆的負(fù)極電極電勢(shì)，鋅離子在酸性和堿性電解液中穩(wěn)定性較好，且電化學(xué)反應(yīng)速率較快，自20世紀(jì)70年代起，人們開始對(duì)該類電池展開研究，主要包括鋅-溴、鋅-鐵、鋅-鎳、鋅-鈰、鋅-碘、鋅-空氣、鋅-有機(jī)物液流電池等。其中，鋅鐵液流電池由于原料含量豐富、成本低廉、無(wú)毒害成為人們研究的對(duì)象。

本文重點(diǎn)綜述了鋅鐵液流電池的研究進(jìn)展以及目前存在的問(wèn)題，并在前人研究的基礎(chǔ)上，對(duì)鋅鐵液流電池技術(shù)未來(lái)的發(fā)展方向做出展望。

1 鋅鐵液流電池的研究現(xiàn)狀

與其他鋅基液流電池不同，鋅鐵液流電池電解液可以在很寬的pH范圍內(nèi)工作。因此，根據(jù)電解液酸堿性的不同，鋅鐵液流電池可以分為堿性、酸性和中性鋅鐵液流電池三類，如表1所示。

表1   堿性、酸性和中性鋅鐵液流電池

1.1 堿性鋅鐵液流電池

1979年，Adams等最早在專利中提出了堿性鋅鐵液流電池的概念。負(fù)極側(cè)和正極側(cè)分別以鋅和鐵氰化物作為活性物質(zhì)，在放電狀態(tài)下，負(fù)極側(cè)由鋅轉(zhuǎn)化為堿性鋅酸鹽溶液，正極側(cè)由鐵氰化物溶液轉(zhuǎn)化為亞鐵氰化物溶液。充電時(shí)則是相反的過(guò)程，該專利中電池利用了陽(yáng)離子膜來(lái)隔開兩側(cè)的活性物質(zhì)。由于堿性介質(zhì)下的鋅枝晶問(wèn)題導(dǎo)致電池的循環(huán)性能較差，而陽(yáng)離子隔膜的電阻較高，使電池的工作電流密度較低(35 mA/cm2)，最終導(dǎo)致堿性鋅鐵液流電池發(fā)展緩慢。

2018年，Yuan等報(bào)道了一種高性能、長(zhǎng)循環(huán)壽命的堿性鋅鐵液流電池。該電池分別以Zn(OH)42-/Zn和F(CN)63-/Fe(CN)64-作為負(fù)極和正極的氧化還原電對(duì)，采用了自制的聚苯并咪唑(PBI)膜，并與三維多孔碳?xì)蛛姌O相結(jié)合組成液流電池，如圖2所示。帶有雜環(huán)的PBI膜可確保羥基離子的快速運(yùn)輸，同時(shí)，由于PBI膜具有較強(qiáng)的機(jī)械穩(wěn)定性，可以很好地抵抗鋅枝晶，從而保證了堿性鋅鐵液流電池的長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性。此外，三維多孔碳?xì)志哂休^高孔隙率和比表面積，能夠?yàn)殇\的沉積與剝落提供場(chǎng)所，有效抑制鋅枝晶和聚集，保證了電池具有出色的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。該課題組通過(guò)優(yōu)化電解液的組成，使Fe(CN)63-/Fe(CN)64-氧化還原對(duì)的濃度達(dá)到1 mol/L，遠(yuǎn)超以往報(bào)道的濃度(0.4 mol/L)，使電池具有了更高的能量密度。該電池在80 mA/cm2和160 mA/cm2電流密度下可實(shí)現(xiàn)充放電500個(gè)循環(huán)，且在160 mA/cm2時(shí)仍保持能量效率(EE)大于80%。

圖2   堿性鋅鐵液流電池(a) 三維多孔碳?xì)蛛姌O，(b) 自制PBI隔膜，(c) 在不同電流密度下的效率和(d) 循環(huán)性能

為了豐富堿性鋅鐵液流電池的理論研究，進(jìn)一步提高其性能，Chen等[23]報(bào)道了堿性鋅鐵液流電池充放電行為的瞬態(tài)二維數(shù)學(xué)模型，如圖3所示。在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了電解液流速和電極幾何形狀對(duì)電化學(xué)性能的影響。結(jié)果表明流速越高、電極越厚、電極孔隙率越高，電池性能越好。進(jìn)一步對(duì)這三方面參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化得到：在流速50 mL/min下，采用負(fù)極7 mm和正極10 mm的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在電極孔隙率為98%時(shí)，電解液的利用率、電池庫(kù)侖效率和能量效率分別達(dá)到了98.62%、99.18%和92.84%，顯著高于未優(yōu)化過(guò)的電池，為改善堿性鋅鐵液流電池的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

圖3   堿性鋅鐵液流電池模擬結(jié)果

1.2 酸性鋅鐵液流電池

相比鐵氰化物在堿性介質(zhì)中的溶解度，F(xiàn)e2+/Fe3+在酸性介質(zhì)中溶解性更好，因此理論上酸性鋅鐵液流電池可以具有較高的能量密度。但溶液酸性過(guò)強(qiáng)會(huì)對(duì)鋅的沉積造成影響，且容易發(fā)生析氫反應(yīng)，因此控制電解液pH值尤為重要。Xie等報(bào)道了酸性鋅鐵液流電池，該電池分別使用Fe2+/Fe3+和Zn/Zn2+作為正極和負(fù)極的氧化還原電對(duì)，特別地，使用HAc/NaAc緩沖溶液用作負(fù)極的支持電解質(zhì)，H2SO4用作正極的支持電解質(zhì)。負(fù)極電解液中存在HAc/NaAc時(shí)，即使大量的H+離子從正極電解液通過(guò)離子交換膜進(jìn)入負(fù)極電解液中，也可以將pH值保持在2.0～6.0。在該pH值范圍內(nèi)，可以有效抑制負(fù)極上的析氫反應(yīng)，如圖4所示。該電池在30 mA/cm2電流密度下可實(shí)現(xiàn)充放電50個(gè)循環(huán)，并保持能量效率(EE)為71.1%。在上述條件下，電池可以運(yùn)行202個(gè)循環(huán)，但伴隨著容量嚴(yán)重下降，作者將原因歸結(jié)于Zn/Fe離子在重復(fù)充電/放電過(guò)程中穿過(guò)膜的交叉污染，同時(shí)也導(dǎo)致了庫(kù)侖效率的損失。然而在該電池中并沒有觀察到鋅枝晶的現(xiàn)象，作者認(rèn)為是使用了HAc/NaAc緩沖溶液導(dǎo)致的。

圖4   電解液中加入緩沖液后對(duì)電池性能的影響

為了解決Zn/Fe離子在充電/放電過(guò)程中出現(xiàn)的交叉污染現(xiàn)象，Selverston等研究了在弱酸性電解液中，使用混合金屬離子(Zn2+、Fe2+/Fe3+)的鋅鐵液流電池的可行性，如圖5所示。在負(fù)極側(cè)，作者考察了pH值、Zn/Fe摩爾比、鋅傳質(zhì)對(duì)鐵沉積和溶出行為的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，只有在較低的Zn/Fe摩爾比下才會(huì)發(fā)生鐵的溶出現(xiàn)象，而pH=1和pH=3對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果并沒有明顯的影響，在負(fù)極上的鋅沉積和剝離過(guò)程近似于正常的鋅電極。而在正極側(cè)，鋅離子的存在對(duì)Fe2+/Fe3+的電化學(xué)反應(yīng)沒有顯著影響。因此，通過(guò)使用混合的Zn-Fe電解液可以提高電池對(duì)鋅鐵離子交叉污染的耐受度，以多孔膜來(lái)代替昂貴的離子交換膜，同時(shí)還可以降低成本。該電池連續(xù)運(yùn)行了10天、100個(gè)循環(huán)，開路電壓保持在1.5 V，作者認(rèn)為在未來(lái)探究電解液中鐵的配體以及優(yōu)化溶液的組成將是重要的研究方向。

圖5   (a) 混合電解液鋅鐵液流電池；(b)，(c) pH對(duì)負(fù)極電解液循環(huán)伏安曲線的影響；(d)，(e) 電池連續(xù)10天的循環(huán)性能(T=25 ℃)

在堿性鋅鐵液流電池負(fù)極電解液中，鋅酸鹽具有較好的溶解度以及電化學(xué)活性；而在酸性鋅鐵液流電池正極電解液中，F(xiàn)e2+/Fe3+具有較好的溶解度以及電化學(xué)活性，同時(shí)，這兩種電解液所需原料含量豐富、成本低廉。為了結(jié)合兩種電解液的優(yōu)勢(shì)，Gong等設(shè)計(jì)了新型酸堿混合鋅鐵液流電池，如圖6所示。區(qū)別于傳統(tǒng)的單隔膜液流電池，該電池采用了雙隔膜的電池結(jié)構(gòu)，增加了另一個(gè)中性電解液腔室作為緩沖溶液。該電池功率密度可達(dá)676 mW/cm2，且投資成本低于100 USD/(kW·h)，遠(yuǎn)低于美國(guó)能源部設(shè)定的2023年目標(biāo)[150 USD/(kW·h)]，為鋅鐵液流電池的發(fā)展提供了另一種思路。

圖6   堿性和酸性混合鋅鐵液流電池

1.3 中性鋅鐵液流電池

與堿性和酸性體系相比，中性鋅鐵液流電池體系溫和，電解液無(wú)腐蝕性，對(duì)電池隔膜及其他材料的要求較低，在一定程度上降低了電池成本。但在中性鋅鐵液流電池體系中，鐵離子的水解會(huì)導(dǎo)致電池的循環(huán)性能下降，是該類電池最大的挑戰(zhàn)之一。為此，Xie等以FeCl2/ZnBr2為正負(fù)極氧化還原電對(duì)，在正極電解液中引入了甘氨酸作為螯合劑，有效解決了中性條件下鐵離子的水解問(wèn)題。同時(shí)，利用多孔離子傳導(dǎo)膜替代傳統(tǒng)離子交換膜解決了鐵離子污染導(dǎo)致膜內(nèi)阻升高的問(wèn)題，并提高了中性介質(zhì)中離子在膜中的傳導(dǎo)性，大幅提高了中性鋅鐵液流電池的性能。在40 mA/cm2下，能量效率可達(dá)到86.66%。該體系活性物質(zhì)濃度可達(dá)2 mol/L，其體積能量密度可達(dá)56 W·h/L。更重要的是，相比其他液流電池體系，該體系以更低的成本表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。該工作對(duì)于新一代液流電池的研究開發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義。

2 鋅鐵液流電池目前的問(wèn)題及解決思路

與其他鋅基液流電池相似，鋅鐵液流電池主要存在鋅枝晶和面容量有限的問(wèn)題。

2.1 鋅枝晶

2.1.1 鋅枝晶的形成機(jī)理

鋅枝晶主要形成于電池充電過(guò)程中。鋅枝晶的存在容易導(dǎo)致電池庫(kù)侖效率和容量降低、電池壽命縮短等問(wèn)題，嚴(yán)重者會(huì)刺穿隔膜，造成電池短路。

鋅枝晶的形成主要經(jīng)歷兩個(gè)過(guò)程：晶核的形成和晶核的生長(zhǎng)。其中，鋅晶核形成的能壘遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于晶核生長(zhǎng)的能壘，因此，鋅成核的過(guò)電勢(shì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于成核后晶核生長(zhǎng)的過(guò)電勢(shì)，如圖7所示。這表明，一旦形成晶核，鋅離子更傾向于在已有的核上增長(zhǎng)，而不是形成一個(gè)新的晶核。而且，小的晶核具有更大的表面能，熱力學(xué)上更傾向于聚集成更大的粒子。因此，在負(fù)極上獲得一個(gè)均勻的鋅晶核是很困難的。在晶核生長(zhǎng)的過(guò)程中，鋅離子在電場(chǎng)和濃度梯度的作用下，優(yōu)先遷移至電極上的晶核處，隨著鋅離子開始沉積，加速了鋅枝晶的形成。當(dāng)電解液與電極界面處的鋅離子被消耗后，遠(yuǎn)離界面處的鋅離子無(wú)法及時(shí)地遷移至界面處，就會(huì)導(dǎo)致濃差極化。鋅枝晶的形成決定了鋅鐵液流電池?zé)o法在較大的工作電流密度下工作，因?yàn)殡娏髅芏冗^(guò)大，鋅離子或鋅酸鹽離子在母液中遷移的速率是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于在電極上消耗的速率的。因此，抑制鋅枝晶對(duì)于電池的性能提高極為重要。

圖7   (a) 鋅成核過(guò)程中的能壘；(b) 鋅新增長(zhǎng)過(guò)程中的過(guò)電勢(shì)；(c) 鋅枝晶形成過(guò)程中鋅成核、鋅增長(zhǎng)示意圖

2.1.2 抑制鋅枝晶

目前，抑制鋅枝晶主要從電解液、電極、隔膜、電池結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。

（1）電解液

向電解液中加入添加劑是抑制鋅枝晶的常用手段，添加劑的存在能夠直接影響晶核的形成和生長(zhǎng)，添加劑主要分為三類：聚合物、有機(jī)分子和金屬離子。聚合物容易吸附在晶核周圍，延緩晶核生長(zhǎng)的速度，反向促進(jìn)鋅離子在其他部位的成核和生長(zhǎng)，有助于沉積層的均一化。Banik等研究了通過(guò)添加聚乙烯亞胺(PEI)有效改善鋅枝晶的過(guò)程，如圖8所示，當(dāng)電解液沒有添加PEI時(shí)，鋅沉積后形成了典型的鋸齒狀枝晶；在加入10 ppm(1 ppm=10-6)PEI后，鋅沉積形成了球狀和圓形枝晶尖端，且尺寸明顯減小，極大削弱了對(duì)電池隔膜的威脅。但隨著添加劑量的增加，負(fù)極極化也越來(lái)越嚴(yán)重，因此，在選擇添加劑時(shí)，也需要平衡添加劑的量與電池性能之間的關(guān)系。與聚合物相比，有機(jī)分子具有更短的鏈和更小的位阻，從而具有更高的靈活性。Li等在鋅電解液中加入了乙醇(EtOH)，改善了鋅表面的沉積粒度，抑制了枝晶形成的過(guò)程。作者認(rèn)為，由于EtOH與鋅的配位作用，增加了鋅鍍層的過(guò)電位，從而降低了交換電流密度，使得沉積層更為平整。金屬離子作為添加劑加入到電解液中，也可以抑制鋅枝晶的生長(zhǎng)，值得注意的是，金屬離子與有機(jī)分子的協(xié)同作用對(duì)于抑制鋅枝晶效果更好。Wang等分別研究了空白溶液、添加Bi3+、同時(shí)添加Bi3+和TBAB后對(duì)鋅枝晶的影響，結(jié)果表明，Bi3+與TBAB的協(xié)同作用使鋅沉積后，形成了致密的顆粒沉積層，如圖9所示。

圖8   鋅沉積形貌圖：(a) 電解液中無(wú)添加劑；(b) 電解液中添加10 ppm PEI

圖9   鋅沉積形貌圖：(a) 電解液中無(wú)添加劑；(b) 電解液中添加0.1 g/L Bi3+；(c) 電解液中添加0.1 g/L Bi3+和0.02 g/L TBAB

控制電解液的傳質(zhì)是抑制鋅枝晶的另一種常用手段，能夠促進(jìn)鋅離子在負(fù)極側(cè)的均勻分布，從而影響晶核的形成，一般通過(guò)流動(dòng)電解液來(lái)實(shí)現(xiàn)。Wang等分別研究了電解液在靜止和流動(dòng)狀態(tài)下對(duì)鋅沉積形貌的影響，結(jié)果表明在流動(dòng)電解液的情況下更容易沉積形成均勻相貌的鋅，如圖10所示。

圖10   鋅沉積形貌圖：(a) 靜止電解液；(b) 流動(dòng)電解液

（2）電極

電極是鋅沉積發(fā)生的場(chǎng)所，電極的物理化學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)對(duì)于鋅沉積有重要的影響。Yuan等研究了在堿性鋅鐵液流電池中，分別采用鋅板和三維多孔碳?xì)謱?duì)鋅枝晶以及電池性能的影響。如圖11(a)-(d)所示，當(dāng)采用鋅板作為電極時(shí)，明顯觀察到沉積鋅不均勻以及鋅枝晶的現(xiàn)象。由于沉積的金屬鋅與鋅板電極之間電子傳導(dǎo)不良，使得Zn(OH)42-在充電過(guò)程中，部分離子被永久地鍍上，而在放電過(guò)程中，鋅電極上的金屬鋅被剝落，最終導(dǎo)致鋅電極變形和腐蝕。當(dāng)采用高比表面積三維多孔碳?xì)肿鳛殡姌O時(shí)，由于碳?xì)执蟠蠼档土穗姌O和沉積的金屬鋅之間界面的內(nèi)阻，且高比表面積有利于進(jìn)一步降低極化，使得沉積在三維多孔碳?xì)蛛姌O上的鋅形貌比較均勻，如圖11(e)和(f)所示。另外，金屬鋅在多孔碳?xì)蛛姌O上的沉積是多孔的，這更有利于OH-的擴(kuò)散。最終，在80 mA/cm2條件下，使用三維多孔碳電極組裝的電池，能量效率可達(dá)88.07%，遠(yuǎn)高于使用鋅板作為電極組裝電池的能量效率(78.52%)。

圖11   堿性鋅鐵液流電池中，使用鋅板作為電極，充電 (a)、放電 (b) 后電極俯視圖，充電 (c)、放電 (d) 后的電極側(cè)視圖；使用三維多孔碳?xì)肿鳛殡姌O，充電 (e)、放電 (f) 后的電極形貌圖

（3）隔膜

鋅枝晶的主要危害在于穿透隔膜導(dǎo)致電池短路。為了避免枝晶刺穿隔膜，一方面可以選用機(jī)械強(qiáng)度高的隔膜，如PBI膜；另一方面也可以對(duì)隔膜進(jìn)行改性，Yuan等設(shè)計(jì)了一種孔壁和表面帶負(fù)電荷的納米多孔膜，由于帶負(fù)電荷的Zn(OH)42-和帶負(fù)電荷的多孔膜的互斥作用，鋅離子會(huì)逆著隔膜的方向在三維多孔碳電極上沉積，如圖12所示。使用該種帶負(fù)電的納米多孔膜在80～160 mA/cm2條件下運(yùn)行240個(gè)循環(huán)仍然沒有鋅枝晶的產(chǎn)生。

圖12   無(wú)枝晶-堿性鋅鐵液流電池示意圖

（4）電池構(gòu)型

設(shè)計(jì)或改進(jìn)電池構(gòu)型的目的是使鋅枝晶遠(yuǎn)離隔膜或者切斷負(fù)極和隔膜之間的直接接觸。最近，Higashi等設(shè)計(jì)了一種反向電鍍結(jié)構(gòu)，應(yīng)用在鋅鎳電池中可避免鋅枝晶引起的短路，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期循環(huán)，如圖13所示。

圖13   反向電鍍結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 負(fù)極面容量低

與液-液相液流電池(在充放電過(guò)程中正極和負(fù)極活性物質(zhì)全部溶解在電解液中)不同，在鋅鐵液流電池中，負(fù)極側(cè)進(jìn)行的是鋅的沉積-剝離過(guò)程。這意味著鋅鐵液流電池的儲(chǔ)能容量和功率不像液-液相液流電池那樣獨(dú)立設(shè)計(jì)，因?yàn)殇\鐵液流電池的容量受到電極面積的限制。

目前，解決該問(wèn)題的策略仍然有限。一方面可以采用厚一點(diǎn)或者更多孔的碳?xì)蛛姌O增加鋅鐵液流電池的面容量，但這也會(huì)增加電堆的尺寸和整個(gè)系統(tǒng)的成本；另一方面是在膜和電極之間預(yù)留空間，但會(huì)導(dǎo)致電池的極化加大，使電池只能在一個(gè)較低的電流密度下工作，從而減小了電池的功率密度。

3 總結(jié)與展望

鋅鐵液流電池具有電解液成本低、本征安全等優(yōu)點(diǎn)，成為新型液流電池技術(shù)重要方向之一。但是，由于鋅枝晶、面容量有限等問(wèn)題，明顯影響了其商業(yè)化進(jìn)程，需要深入研究來(lái)發(fā)現(xiàn)解決途徑。本文歸納了鋅鐵液流電池的研究現(xiàn)狀，針對(duì)存在的主要問(wèn)題、影響因素及解決策略提出以下幾點(diǎn)展望。

（1）鋅枝晶積累會(huì)導(dǎo)致的電池短路以及循環(huán)壽命降低仍然是鋅鐵液流電池(尤其是堿性鋅鐵液流電池)使用最直接的問(wèn)題。從鋅枝晶產(chǎn)生的原理出發(fā)，設(shè)計(jì)、開發(fā)新型電解液和電極，關(guān)注界面反應(yīng)，優(yōu)化電池操作條件，有望從根源上改變鋅枝晶的生長(zhǎng)方式，兼顧降低電池成本和提高裝置運(yùn)行可靠性。

（2）面容量有限是由沉積型液流電池本身的特性決定的。可通過(guò)電池結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵材料等方面優(yōu)化得到緩解，同時(shí)，也應(yīng)該尋找合適的應(yīng)用場(chǎng)景，以便盡可能發(fā)揮鋅鐵液流電池的優(yōu)勢(shì)。

（3）將實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬相結(jié)合，能夠提高研發(fā)效率。通過(guò)建立符合實(shí)際的物理模型，探究鋅鐵液流電池負(fù)極中電極、隔膜等材料，電池結(jié)構(gòu)以及工作狀態(tài)等對(duì)電池運(yùn)行的影響，對(duì)設(shè)計(jì)可靠的電池體系具有指導(dǎo)作用。

引用本文： 姚禎,王銳,陽(yáng)雪等.鋅鐵液流電池研究現(xiàn)狀及展望[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù),2022,11(01):78-88. (YAO Zhen,WANG Rui,YANG Xue,et al.Current situations and prospects of zinc-iron flow battery[J].Energy Storage Science and Technology,2022,11(01):78-88.)

第一作者：姚禎（1990—），男，博士，主要研究方向?yàn)橐毫麟姵貎?chǔ)能，E-mail：zhen.yao.c@chnenergy.com.cn。