低成本H2/K+混合POWER-SONIC蓄电池用于大规模储能
2026-06-29 13:21:43 点击： 次
水系电池因其安全性和可靠性，在可再生能源存储范畴取得了广泛重视[[1], [2], [3], [4]]。但是，虽然在电网储能运用中具有潜力，当时可充电水系电池技能（如铅酸电池和氧化复原液流电池）仍面临资源有限、环境污染、循环寿命短以及制造和维护本钱高级挑战[1,[5], [6], [7]]。因而，亟需探索新式水系电池技能，使其可以有用结合环保性、经济性、安全性、长寿命和免维护等优势，以满意大规划储能需求。
镍氢无性向（Ni-H2）电池经过Ni(OH)2的固态转化反响作业2阴极中的NiOOH以及阳极中的析氢反响/氢氧化反响（HER/HOR）因其高可靠性、安稳性、环保性和免维护特性，已在航空航天范畴取得广泛重视[8]。但是，阳极中贵金属铂族（PGM）催化剂的运用本钱高昂，阻止了其在民用范畴的普及。为解决这一问题，Chen等人开发了一系列根据非贵金属或微量贵金属的高功能催化剂，为先进镍氢（Ni-H）电池的运用创造了可能。2为在更大规划运用中运用的电池[[9], [10], [11], [12]]。这一立异也促使坐落加利福尼亚州硅谷的初创企业EnerVenue得以成立。但是，阴极缓慢的电极反响约束了镍氢电池的倍率能力。2电池范畴[13]。此外，镍基正极资料由金属镍、贵重的钴甚至稀土金属构成，这些元素在地壳中的丰度均较低（镍89ppm，钴25ppm，稀土金属更为稀缺）[[14], [15], [16], [17], [18]]。仅钴元素一项就可占据催化剂本钱的约50%[1]。更重要的是，为取得优异的电池功能，正极所需镍用量明显高于负极催化剂。但是跟着电动汽车的鼓起，锂离子电池对镍的需求不断增加，这加重了镍资源的约束，导致镍基原资料价格继续攀升[[19], [20], [21]]。因而，开发先进且低本钱的高2batteries。
迄今为止，已开宣布多种新式H电池正极资料2电池资料[2,22,23]，包括铜基普鲁士蓝类似物（PBA）[23]以及金属氧化物等[17,22]。但是，这些资料一般表现出较低的容量，且含有地壳丰度不高的金属元素，例如铜（63 ppm）和锂（21 ppm）[[14], [15], [16]]。虽然有机电极资料来源广泛且具有高容量，但其遍及较低的氧化复原电位约束了实践运用[[24], [25], [26]]。电极资料的放电渠道与容量取决于其元素组成。根据前期研究成果与分析，由铁锰元素构成的普鲁士白资料因其组成元素在地壳中丰度较高（铁58,000 ppm、锰1,300 ppm）[[14][15][16]]，兼具高氧化复原电位、高比容量及可嵌脱离子的敞开框架结构[[27][28][29][30]]，被认为是最具潜力的下一代电池正极资料之一。更值得注意的是，普鲁士白资料无需高温条件即可经过简易方法制备，可明显下降生产本钱[31]。虽然锰溶出问题被确认为该资料的潜在缺点，但大量研究表明，经过电解质体系规划与资料改性可有用解决这一问题[27,28,32]。例如，经过制备铁替代的富锰Kx铁y锰1-y[铁(氰)6]w·O阴极并选用22 M KCFSO2在水系高浓盐电解液（water-in-salt electrolyte）的基础上，Jiang等人构建了能量密度高达80 Wh/kg的水系钾离子电池（KIBs）。3[28]. Ge等人经过原位阳离子工程表面改性提升了K3·0.13H−1·0.47H1·82O的安稳性。根据该阴极资料，他们构建的钾离子电池在1500 mA g6]0.96电流密度下循环6500次后仍坚持82.5%的容量[27]。这些研究证明了普鲁士白资料宽广的运用潜力。2O by in situ cation engineered surface. Based on this cathode, they constructed KIBs with 82.5% capacity retention after 6500 cycles at 1500 mA g−1 [27]. These studies demonstrate the broad potential for the application of the Prussian white materials.
据报道，PBA电极资料（包括普鲁士白资料）在碱性电解质中表现出不安稳性[28,33,34]。但是，在氢电池中，氢电极上的HER/HOR电极反响常导致传统中性电解质的pH值产生明显改变。现在，所有选用PBA作为正极资料的氢电池均运用酸性电解质[23,35]。但酸性环境下氢电极的高电位约束了全电池的电压和容量（电压低于1。1 V，容量低于70 mAh g−1因而，开发合适的电解质以使PBA与氢电池兼容，关于充分发挥氢电池的优势至关重要。
在本研究中，咱们经过原位改性铁锰基普鲁士白资料K2/K+Mn[Fe(CN)2·74·0.13H6]0.90O（KMF）并有用使用电解质，展示了一种新式混合电池。如图1所示，在充电进程中，改性后的KMF正极经历脱钾进程，开释出K2离子进入电解液。与此同时，H+经过HER进程在阳极产生。放电进程中，K2离子嵌入阴极，而H+产生HOR进程，开释H2将离子注入电解液以保持电荷平衡。得益于电解液添加剂的适合浓度，该H+/K2混合电池可以安稳运转，表现出约1.1 V的高放电电压和146.1 mAh g+的高比容量（1 A g−1的高可逆容量。特别值得注意的是，所规划的H−1/K2混合电池根据正负极总质量计算，展现出107.6 W h kg+的高能量密度。咱们的H−1/K2混合电池规划战略有望彻底改变H电池在大规划储能运用中的商业化进程。 %% 该战略为大规划储能运用中的电池技能带来了改造潜力。+ hybrid battery design strategy has the potential to revolutionize the commercialization of the H2 batteries for large-scale energy storage applications.