“无火灾爆炸风险”……找到了下一代电池新方案吗？

Published 09 Jan.2023 08:10(KST)

Updated 09 Jan.2023 08:12(KST)

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电气研究院开发混合型锌锰氧化还原液流电池
与商用二次电池不同结构上风险较低
以锌锰替代中国产钒成本更低性能更佳

[亚洲经济记者 Kim Bongsu] 韩国电气研究院（KERI）9日表示，该院次世代电池研究中心 Park Junu 博士团队与釜山大学 Park Minjun 教授团队开发出一项突破现有液流电池局限性的技术。外界关注这一成果能否推动无火灾及爆炸风险、成本低廉的下一代电池实现商业化。

液流电池（Redox Flow Battery）一词由还原（Reduction）、氧化（Oxidation）、流动（Flow）组合而成。其工作原理是通过氧化·还原这一化学反应，在电解液的帮助下，电子由负极（-）向正极（+）移动，从而产生电能。与传统二次电池不同，它将发生化学反应的部位与储存电能的部位区分开来，因此可以分别设计输出与容量，并可实现电池大容量化。此外，该电池不排放废气，也不存在火灾和爆炸风险。

问题在于，目前液流电池的主要核心材料“钒”是高价格金属，我国对包括中国在内的海外进口依赖度很高。决定电池性能的电压方面，钒液流电池也低于已商业化的锂二次电池，效率大约低10%至15%。

研究团队用相对廉价且供应稳定的锰和锌代替了昂贵的钒。尤其是采用独特的双离子交换膜结构，使碱性锌电解液与酸性锰电解液能够同时使用，并可期待获得较高的电位差。

但也存在问题：当锰正极活性物质被氧化后，无法恢复到原来的还原状态，而是沉积（deposition）在电极及离子交换膜表面。为改善锰的低可逆性（reversibility）问题，研究团队利用“碳还原法”在电极表面沉积铋（Bismuth）金属，并使用添加了镍、镁、铜、钴离子等的电解液。铋具有优异的电导性，可提升电子迁移。通过对电化学性能特性进行分析后制备出的最优比例电解液发挥了催化剂作用，大幅提高了电池的稳定性（抑制活性物质副反应）、性能和寿命。

随后，研究团队通过透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy）、X射线光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectroscopy）、等离子体发射光谱（ICP-OES）等多种分析手段验证了所开发技术的效果。结果显示，KERI-釜山大学的混合型锌-锰液流电池实现了比传统钒系更高的电压（1.3V → 2.52V），并将能量效率提升了10%以上。

KERI的 Park Junu 博士表示：“这是将低成本锌、锰材料与可提高可逆性的金属离子催化技术相结合的新概念液流电池技术”，“这一成果将大大推动下一代长周期大容量液流电池的普及与扩展”。