第一作者：Fang Wang, Wenda Wu
通訊作者：Tianbiao Liu, Yu Zhao
通訊單位：Utah State University, Ocean Univeristy of China
1. 通過調(diào)控流速，發(fā)現(xiàn)除常見電池參數(shù)外其他可影響脫鹽液流電池性能的因素。
2. 結(jié)合電化學(xué)阻抗譜圖的研究，進一步發(fā)現(xiàn)了流速對脫鹽性能及電池性能的相關(guān)趨勢。
3. 通過解讀數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，隨著流速增加，電池內(nèi)阻降低，物質(zhì)轉(zhuǎn)移阻力下降，進而提升脫鹽性能與電池性能。
隨著全球人口的快速增長，現(xiàn)代社會的淡水需求也在同步增加。然而，地球上97%的水為高鹽量、不可食用的海水。目前最為廣泛應(yīng)用的海水淡化方式為反向滲透法 (reverse osmosis)。但是，高成本 (>0.53$/m3）、高耗能 (>3 Wh/L）限制了反向滲透法在許多地區(qū)的使用。因此，將海水高效、節(jié)能地變?yōu)榭衫玫牡蔀橐粋€急需解決的問題。近年來，一些新興的方法如電滲析、電容去離子法、法拉第去離子法都有不同程度的缺陷。它們或受限于使用過程中的電極容量衰減，或受限于設(shè)備容量過低而無法用于高鹽濃度水（海水）的脫鹽處理，這也對一個高效、低成本、高容量脫鹽設(shè)備的需求迫在眉睫。
另一方面，近年來對有機水系液流電池的研究進行的如火如荼。許多廉價、效率、穩(wěn)定的有機分子材料，如二茂鐵衍生物、紫精衍生物、鐵氰化物等，被廣泛開放并應(yīng)用于水系液流電池中，這些材料都展示了優(yōu)越的電池性能和長期穩(wěn)定性。
2020年，來自劉天驃團隊(課題組主頁：www.tianbiaoliu.org)的Dr. Camden等人報道了一個集能源儲存與海水淡化于一體的脫鹽液流電池設(shè)備。不同于一般的液流電池“一膜兩室”的模型，該設(shè)備采用“兩膜三室”的設(shè)計（如圖1所示），搭配甲基紫精和亞鐵氰化鈉分別作為陽極和陰極電解液材料。通過對電流密度、活性物質(zhì)濃度的一系列優(yōu)化，該設(shè)備對模擬海水和真實海水都取得了優(yōu)秀的脫鹽效果，能耗僅為2.4 Wh/L、淡化效率達到4.55 mL/hr。同時，作為儲能設(shè)備，該電池的電壓有0.85V，能量效率也達到76.7%，10個充放電（濃縮/淡化）循環(huán)后電池并未出現(xiàn)容量和性能的衰減。同比其他脫鹽液流電池（如鋅/亞鐵氰化鈉體系），該設(shè)計表現(xiàn)出卓越的性能、速度與效率。為了進一步深入研究，Dr. Wang等人在原有設(shè)備基礎(chǔ)上，通過調(diào)控電解液流速進一步發(fā)現(xiàn)并解讀了這一因素對脫鹽液流電池產(chǎn)生的影響。
圖1. 甲基紫精/亞鐵氰化鈉體系脫鹽液流電池結(jié)構(gòu)示意圖。紅、藍箭頭分別表示鹽離子在電池充、放電過程中的轉(zhuǎn)移方向。
在充電（儲能）過程中，甲基紫精被還原并向中間腔室釋放一個氯離子，同時亞鐵氰化鈉被氧化并向中間腔室釋放一個鈉離子，位于中間腔室的溶液被濃縮。充電結(jié)束后，將中間腔室的濃縮鹽水換為新的模擬海水并進行放電，此時陰陽極活性物質(zhì)經(jīng)過與充電過程相反的電化學(xué)變化，中間腔室的鈉、氯離子也因為陰、陽極電解液電荷的變化而逸出，從而達到釋放能量同時淡化海水的過程。
圖2. 在使用相同設(shè)備及操作的情況下，甲基紫精/亞鐵氰化鈉體系脫鹽液流電池在3個不同流速（20、40、60 mL/min）下的脫鹽性能、電池性能對比。
通過圖中數(shù)據(jù)的變化，我們不難看出，在流速增加的情況下，電池脫鹽率、容量、能量效率及功率密度都顯示出遞增的變化。更有趣的是，充放電曲線所體現(xiàn)的電池內(nèi)阻（過電位）隨著流速增加出現(xiàn)了遞減的變化。這一變化促使我們深入探討電池充放電過程中，不同充/放電百分比狀態(tài)下電池的阻抗隨流速的變化情況。
圖3. 不同充/放電百分比狀態(tài)下，電池的電化學(xué)阻抗譜圖。
在不同的充/放電百分比狀態(tài)下，電池電阻的變化都顯示出一致的趨勢。首先，高頻區(qū)電阻（Nyquist plot與X軸的交點）隨著流速增加出現(xiàn)明顯遞減的現(xiàn)象，這一變化與前文觀察到的過電壓降低的現(xiàn)象相符合。其次，流速增加后，Nyquist plot中指示質(zhì)量傳遞電阻的‘半圓’也更為明顯，這一變化指出物質(zhì)的質(zhì)量傳遞在高流速下更易發(fā)生。
本文通過控制變量法，采用目前性能最佳的甲基紫精/亞鐵氰化鈉體系脫鹽液流電池為模型，探討了流速對于電池脫鹽性能及電池表現(xiàn)的影響。在研究中發(fā)現(xiàn)，流速對電池內(nèi)阻及電解液中活性物質(zhì)的質(zhì)量轉(zhuǎn)移具有明顯的促進效果。提升流速時，電池內(nèi)阻明顯降低，物質(zhì)的質(zhì)量轉(zhuǎn)移效應(yīng)得到促進，進一步提升了電池的脫鹽效率及電池性能。
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2468606921001155
吳聞達， 博士研究生，就讀于猶他州立大學(xué)化學(xué)生物系，在劉天驃教授的課題組(從事有機液流電池的儲能和海水淡化研究。
劉天驃教授團隊 （主頁：www.tianbiaoliu.org) 的主要工作集中在電池儲能包裹液流電池，金屬鎂和鋰電池，電催化能源轉(zhuǎn)化，綠色催化有機合成，及電化學(xué)在環(huán)境科學(xué)的應(yīng)用包裹海水淡化和排污處理。課題組的主要成果發(fā)表在Nature Materials, Nature Chemistry，Joule，Chem，JACS，ACS Energy Letters, Angew. Chem. Int. Ed.， Adv. Mater.，Adv. Energy Mater，Energy Environ. Sci. 等化學(xué)和材料領(lǐng)域頂級學(xué)術(shù)刊物，并申請多項國際專利項。
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