重大突破！钛能够作为钒的替代品用于液流电池

一个中日联合团队开发了一种钛熔盐氧化还原液流电池，使用丰富的钛离子和熔盐电解质，以实现高电压、快速且稳定的电网规模储能。与钒基电池相比，该系统表现出超过97%的高效率、强的循环稳定性，以及改进的成本和可扩展性，进一步的优化工作正在进行中。

新型钛熔盐氧化还原液流电池示意图 | 图片来源：北京科技大学

一个中日联合研究团队开发了一种钛熔盐氧化还原液流电池，该电池使用钛离子作为氧化还原活性材料，熔盐作为电解质。

该电池旨在用于电网规模储能，与传统的钒氧化还原液流电池设计相比，旨在提供更高的充放电电流密度。

科学家们解释说，与钒相比，钛是一种更为丰富的元素，解决了供应和成本限制问题。他们强调：“钛是地壳中含量第七丰富的金属，地壳元素丰度为0.56%，是钒的35倍。因此，钛熔盐氧化还原液流电池中氧化还原活性材料的可持续供应无需担忧。”

该系统使用多种氧化态的钛离子运行，阴极采用Ti⁴⁺/Ti³⁺氧化还原电对，阳极采用Ti³⁺/Ti²⁺氧化还原电对，从而实现可逆的氧化还原反应。它还采用了熔盐电解质，例如氯化锂-氯化钾和氯化钠-氯化镁-氯化钾，科学家们表示这些电解质具有宽的电化学稳定窗口和高离子电导率，同时支持高效的高压运行、快速的充放电速率以及在300-450°C温度下的稳定循环。

该电池还采用多孔氧化铝坩埚作为隔膜，以及通过镍引线连接的碳和石墨电极。四氯化钛被小心地引入系统中，并使用氟化锂添加剂控制其蒸发。

电池组装时，隔膜置于正极室和负极室之间。负极由多层碳网组成，连接到作为集流体的石墨棒和作为引线的镍棒上。另一侧使用了类似的配置，包括一个中空碳圆柱体。含有钛离子的熔盐电解质被加入电池中，并在正极侧加入氟化锂以抑制四氯化钛的蒸发。

随后，完整的电池在电阻炉中的氩气气氛下运行，以评估氧化还原行为和充放电循环稳定性。此外，还使用了基于第一性原理的分子动力学模拟来跟踪运行期间的离子分布。

半充电状态下的TMSRB横截面的照片。(b) Al2O3坩埚隔膜（孔隙率：20%）的照片和SEM图像。这种简单的多孔陶瓷隔膜证实了TMSRB的无膜设计，并有助于实现低成本、长寿命和高充放电倍率。

分析证明了多价钛离子作为高性能电池氧化还原活性材料的适用性。在400°C的熔融LiCl-KCl中进行的循环伏安法和方波伏安法显示出清晰且可逆的Ti²⁺/Ti³⁺和Ti³⁺/Ti⁴⁺氧化还原反应，科学家们表示这可以提供约1.55V的高理论电池电压，如果包括Ti/Ti²⁺则可扩展至1.80V。此外，发现多个稳定的氧化态和明显的氧化还原转变进一步增强了系统的灵活性和稳定性。

研究人员还确定，可以调整熔盐成分以优化成本、温度范围和电化学性能。在不同电解质中的实验证实了在宽温度范围内一致的氧化还原活性和高电压。

此外，实验测试表明，即使在高的充放电倍率下，库仑效率也超过97%，且循环“稳定”。在各种熔盐系统中性能依然强劲，突出了其鲁棒性和适应性。

学者们强调：“总之，所开发的钛熔盐氧化还原液流电池具有巨大优势，特别是更高的工作电压、极高的库仑效率、快速的充放电能力以及丰富且低成本的原材料。进一步的工程优化——例如先进电堆设计、增强的热管理策略，以及对系统级性能指标（包括电压效率、能量效率、电解液罐容量和实际体积能量密度）的更详细评估——目前正在进行中。”

该钒氧化还原液流电池系统发表于《电化学通讯（Electrochemistry Communications）》上的“用于电网规模储能的的高性能氧化还原液流电池”一文。研究团队包括来自中国北京科技大学和日本东北大学的学者。

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（素材来自：北京科技大学 全球液流电池网、新能源网综合）