液流電池具有循環(huán)壽命長、安全性好、能量和功率獨立控制等優(yōu)點。它們在大規(guī)模儲能領(lǐng)域具有巨大潛力。其中，對全釩液流電池的研究最為廣泛。

目前，所有釩液流電池的成本為3500-4500元/千瓦時，電解液成本占液流電池總成本的60%-70%，這受釩價格的影響很大，限制了其應(yīng)用。因此，探索低成本的液流電池是推動這項技術(shù)發(fā)展的必要途徑。

專業(yè)人士在2018年提出，鐵基電解質(zhì)價格便宜，容易獲得和失去電子，這是釩氧化還原液流電池電解質(zhì)的替代技術(shù)。本文主要論述了鐵流電池的發(fā)展歷史，并對不同類型的鐵流電池研究進展進行了綜述。本文分析總結(jié)了鐵流電池的優(yōu)點和特點，重點介紹了其應(yīng)用，并展望了其未來的發(fā)展方向。

 

鐵流電池的性能比較

液流電池	電流密度/（mA cm-2）	庫侖效率/%	電壓效率/%	能量效率/%	容量衰減率/%	成本/（USD·kWh-1）
所有釩	40 / 80	95.3 / 97.3	93.7 / 87.8	89.4 / 85.4	0.30 / －	447
鐵鉻合金	40 / 80	90.5 / 94.6	93.3 / 87.0	84.4 / 82.2	1.20 / －	194
鋅鐵	40 / 80	97.8 / 99.9	88.7 / 76.0	86.7 /74.0	0.13 / －	100
鐵鈦合金	40 / 80	85.0 / 92.3	85.0 / 71.0	70.0 / 65.0	0.16 / －	－
鋅鐵	20	－	－	44.0-50.0	－	－
全鐵的	40 / 60	93.0 / －	78.0 / －	73.0 / 11.0-44.0	－	－

 

 

從上表可以看出，鐵流電池具有明顯的成本優(yōu)勢。鐵鉻液流電池和鋅鐵液流電池的能量效率與全釩液流電池最接近，但鐵鉻液液流電池容量衰減率更高，在高電流密度下，鋅-鐵液流蓄電池的能量效率顯著下降。鐵釩、鐵鈦和全鐵液流電池的性能遠遠落后于全釩氧化還原液流電池。

 

鐵流電池類型

鐵鉻液流電池

20世紀70年代，開展了鐵鉻液流電池的研究，這是最早的液流電池系統(tǒng)，也是研究和論證最多的鐵液流電池。該電池使用Fe2+/Fe3+作為陰極，Cr3+/Cr2+作為陽極。其優(yōu)點是活性材料的成本低，但陽極的緩慢電化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)和析氫的副反應(yīng)影響其性能。

對于鐵鉻液流電池，應(yīng)重點研究電極和電解質(zhì)等關(guān)鍵材料，以解決陽極反應(yīng)動力學(xué)緩慢和析氫的問題，從而提高液流電池的性能。此外，針對大規(guī)模儲能的應(yīng)用需求，應(yīng)推進鐵鉻液流電池的堆設(shè)計和系統(tǒng)集成研究。

 

鋅鐵液流電池

1979年，研究人員提出了一種以Fe（CN）63-/Fe（CN 64-，Zn2+/Zn為電極對的堿性鋅鐵液流電池，能量效率達到74%。然而，該系統(tǒng)的鋅陽極容易產(chǎn)生不規(guī)則的鋅枝晶，這些鋅枝晶在循環(huán)過程中不斷生長，最終穿透電池膜，導(dǎo)致電池短路，嚴重影響電池的循環(huán)壽命和可靠性。

 

 

針對上述問題，研究人員專注于帶負電分離器的研究。與全釩液流電池相比，鋅鐵液流電池具有明顯的成本優(yōu)勢，具有工業(yè)應(yīng)用潛力。

 

鐵鈦流電池

除了鐵鉻液流電池，專家們還討論了以Fe2+/Fe3+為陰極、Ti3+/Ti2+為陽極的低成本鐵鈦液流電池系統(tǒng)。

鐵鈦液流電池受到陽極較慢的電化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)和較低的能量效率的限制，這與其他液流電池系統(tǒng)相比沒有優(yōu)勢。因此，對鐵鈦液流電池的研究大多集中在20世紀80年代，之后很少有相關(guān)報道。

 

鐵釩液流電池

為了結(jié)合釩氧化還原液流電池和鐵鉻液流電池的優(yōu)點，美國太平洋西北國家實驗室提出了一種以V2+/V3+為陽極、Fe2+/Fe3+為陰極的液流電池。與Fe-Cr液流電池相比，陽極的V3+/V2+比Cr3+/Cr2+更具電化學(xué)活性，避免了使用昂貴的催化劑。

與所有釩氧化還原液流電池相比，陰極電解質(zhì)避免了使用高氧化性V5+，并且昂貴的Nafion膜可以被基于碳氫化合物的離子交換膜代替，這顯著降低了液流電池系統(tǒng)的成本。

鐵釩氧化還原液流電池的開發(fā)旨在結(jié)合全釩氧化還原液體電池和鐵鉻氧化還原液體蓄電池的優(yōu)點。然而，由于陽極使用釩作為活性材料，其成本仍受到釩價格的限制，電解質(zhì)交叉污染問題尚未解決。因此，近年來對鐵釩氧化還原液流電池的研究并不多。

 

全鐵流電池

全鐵流電池于1981年提出。它的陰極和陽極活性材料是不同價態(tài)的含鐵化合物，這解決了電解質(zhì)互連的問題。近年來，全鐵流電池由于其成本優(yōu)勢引起了研究人員的廣泛關(guān)注，重點關(guān)注以下問題：

 

 

● 由于固體鐵參與了電極反應(yīng)，能量和功率沒有完全分離；

● 鐵在陽極上的沉積導(dǎo)致枝晶的形成；

● 陽極的電勢低于標(biāo)準電極的電勢，導(dǎo)致析氫的副反應(yīng)。

面對大規(guī)模儲能領(lǐng)域的發(fā)展需求和傳統(tǒng)全釩氧化還原液流電池的高成本，鐵液流電池開發(fā)為大規(guī)模儲能提供了更經(jīng)濟的選擇。

 

結(jié)論

從最初的鐵鉻流電池到全鐵流電池的不斷發(fā)展，鐵流電池受到了越來越多研究人員的關(guān)注。全球多家液流電池公司開展了鐵鉻液流電池和鋅鐵液流電池的示范應(yīng)用，全鐵液流蓄電池是未來最重要的發(fā)展方向之一。

在鐵流電池快速發(fā)展的時期，仍需進一步加強關(guān)鍵材料的研發(fā)，改善電極反應(yīng)動力學(xué)，解決陽極析氫問題。探索新型鐵復(fù)合物偶，提高鐵流電池性能，持續(xù)推進大功率鐵流電池產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

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