[01364474]锌溴储能电池高效正极材料与电极结构的设计与开发

1. 课题来源与背景：该项目课题来源自地方科技项目,经费实际投入350.0万元,其中,省级投入50.0万元,自筹资金300.0万元。锌/溴液流电池具有可深度充放电、可模块化调控、不受地理环境限制等优点,已成为大规模储能领域中备受重视的储能器件。主要应用场景为调控电网、平滑非稳态可再生能源的电能输出、离岛式电网等。当前,对锌/溴液流电池的研究主要集中在三个方面,（1）优化电池结构设计,降低生产成本;（2）研发高选择性交换膜,抑制活性物质的“穿梭”效应,避免电池出现自放电;（3）研制新型正负极电极材料,提高材料催化性能。 2. 研究目的与意义：现阶段锌/溴液流电池能量效率低,仅可在较低电流密度下进行充放电,原因在于（1）Br2/Br-电对可逆性较差,现有电极活化极化损失显著,（2）正极材料孔道结构复杂、比表面积低,电极传质极化损失显著。因此,开发新型高催化活性的正极催化材料是解决电池极化问题的关键。 3. 主要论点与论据：碳纳米材料具有结构及形态丰富,导电性好,比表面大,环境友好,抗腐蚀能力强,表面性质独特等优势,是一种理想的非金属催化剂材料。氮掺杂碳基材料具有高电导率、高比表面积等特点,有利于电极上活性位点的密集组装和物料传输,有望解决电池极化问题,是一种具有广阔应用前景的液流电池正极材料。 4. 创见与创新：本研究针对锌溴液流电池中正极极化问题,开发了两种新型掺杂型碳基电极材料,提高对溴电极的催化活性,进而提高电池性能。与常规碳材料相比,这两种氮杂碳电催化剂均具有更大的比表面积,对溴电对表现出更高的交换电流与动力学常数。采用多种物理化学与电化学表征手段,创新性的提出了杂原子活化的碳原子为溴电对转化的活性中心,并研究其转化机理与电极动力学过程,为电极材料本征性能的表征提供了可信的对比参数。采用涂覆工艺制备电极组建锌/溴液流电池,对电池中关键材料部件（隔膜、电解液）进行优化,单电池能量效率达84.3%,并成功组装500W电堆一套,总体效率超过80%。 5. 社会经济效益,存在的问题：无 6. 历年获奖情况：无。 7. 成果简介要向社会公开：采用二维二氧化硅为模板,制备得到二维氮杂碳材料,用于锌溴电池正极材料,该材料具有均一的介孔,展现出优异的捕获能力进而提高活性,具有规整的孔道结构,有效缩短传质距离和减少传质阻力,大幅提高液流电池能量密度,具有高的比表面积和活性利用率,应用于锌溴电池中,表现出优异的性能。