中科院大连化物所攻克锌溴液流电池技术难题 储能寿命突破1400小时

面向新能源占比持续提升的电力系统,长时储能对平抑波动、提升消纳能力的重要性日益凸显。

液流电池因安全性高、容量与功率可独立设计、适合规模化应用而受到关注。

其中,锌溴液流电池具备原料相对丰富、电极电势较高、溶解度优势明显等特点,但长期以来“寿命与成本”成为制约其应用的关键关口。

问题在于,锌溴体系的核心反应依赖溴离子与溴单质之间的氧化还原转换。

在充电过程中会产生大量溴单质。

溴单质具有较强腐蚀性,易对电极、集流体、隔膜等关键材料造成侵蚀,导致电池性能衰减、维护频次增加、全生命周期成本上升。

为了抑制腐蚀,传统方案往往依赖溴络合剂等手段“束缚”溴单质,但这类方法在实际运行中可能形成分相结构,带来传质不均、系统复杂度上升等问题,使工程化应用面临新的约束。

针对上述痛点,中国科学院大连化学物理研究所储能技术研究团队提出一条不同于传统单电子路径的解决思路:在溴电解液中引入胺类化合物作为“溴清除剂”,将电化学过程中生成的溴单质转化为溴代胺类化合物,从源头降低电解液中游离溴的含量。

研究表明,该方法可将溶液中溴单质浓度控制在较低水平(约7毫摩尔),相较以往以Br⁻/Br₂为主的单电子转移路径,实现从Br⁻向更高价态的双电子转移反应。

其直接意义在于:一方面,游离溴浓度下降带来腐蚀性显著降低,从而延长关键部件寿命;另一方面,双电子转移路径有望提升体系的能量密度,为同等体积或同等成本下获取更高储能能力提供可能。

这一进展的影响,不仅停留在机理层面的“可行”,更关键在于对工程化约束的回应。

由于游离溴浓度大幅降低,研究团队在电池构型上可采用传统非氟离子交换膜等更具成本优势的材料进行组装与运行验证,减少对高耐腐蚀、成本更高材料的依赖,为降低系统成本打开空间。

实验验证显示,该体系在单电池层面可实现长期稳定运行;进一步放大到5千瓦级系统后,在40毫安每平方厘米工况下稳定运行超过700个循环,总寿命超过1400小时,能量效率超过78%。

同时,循环前后集流体、电极、膜等关键材料未出现明显腐蚀迹象,说明低溴浓度带来的“材料友好性”在系统尺度上具备现实支撑。

从对策角度看,这项工作提供了一条值得关注的技术路线:以反应路径重构替代“被动防腐”,通过化学与电化学耦合降低腐蚀源强度,从而同时缓解寿命、材料选择与成本之间的矛盾。

对液流电池这类面向工程应用的储能技术而言,单纯追求某一性能指标往往难以形成综合竞争力,而将“寿命—效率—成本—可维护性”纳入同一框架统筹优化,才更接近电网侧与工商业侧的实际需求。

展望未来,锌溴液流电池若要实现更广范围应用,仍需在长周期运行稳定性、规模化系统集成、复杂工况下的可靠性评估以及全生命周期经济性等方面持续验证。

随着风光等可再生能源装机规模扩大,电力系统对安全、可扩展、可持续的长时储能技术需求将进一步增强。

此次以双电子转移为核心的低腐蚀反应策略,为溴基液流电池“做得更耐用、用得更经济”提供了新的设计范式,也为后续在更大功率等级、更长运行时间、更复杂环境下的应用探索奠定基础。

这项源自基础研究突破的技术革新,生动诠释了"把论文写在祖国大地上"的科研导向。

随着全球储能市场规模预计在2030年突破万亿,我国在关键材料与核心机理上的持续创新,正逐步构建起新能源时代的科技护城河。

未来,如何加速实验室成果向产业端转化,将成为检验创新体系效能的新标尺。