锌基液流电池体系研究

锌基液流电池是目前液流电池中非常重要的一个体系，按照正极活性物质的不同可分为多种类型。

1. 锌溴液流电池（Zn-Br）

以溴化锌水溶液为电解液，能量密度高（理论比能量达435 Wh/kg），且成本较低，是目前技术最成熟的锌基液流电池类型。

2. 锌铁液流电池（Zn-Fe）

分为碱性、酸性和中性体系，碱性体系开路电压高，酸性体系铁离子溶解性好，中性体系环境友好但需解决铁离子水解问题。

3. 锌碘液流电池（Zn-I）

碘作为正极活性物质，但受限于碘的动力学性能较差。

4. 锌镍液流电池（Zn-Ni）

镍基正极材料，但存在面容量低的问题。

5. 其他类型

如锌空、锌铈、锌钒、锌锰液流电池等，目前多处于实验室研究阶段。

锌基液流电池相对于其他体系，有其独特的优势。

1. 成本低

锌资源丰富（价格约2.2万元/吨，远低于钒的9万元/吨），隔膜材料（如聚烯烃）价格低廉（百元级/平方米，全钒液流电池隔膜需数千元/平方米以上）。

2. 安全性高

电解液为水溶液，不易燃爆，可部署在建筑内部或通过管道运输。

3. 长循环寿命

部分锌溴液流电池循环寿命可达4000次以上，传统电池仅几百次。

4. 环境友好

无毒无害，符合可持续发展理念。

当然，锌基液流电池的缺点也非常明显，主要有以下几个方面。

1. 锌枝晶问题

充电时锌的不均匀沉积形成枝晶，可能刺穿隔膜导致短路，缩短电池寿命。

2. 面容量受限

锌沉积在电极表面，储能容量受电极空间限制，难以大规模扩展。

3. 析氢反应

充放电过程中析氢会降低效率和稳定性。

4. 部分体系的技术瓶颈

如锌溴液流电池中溴的腐蚀性高，需昂贵耐腐材料；锌铁液流电池存在电解液体积失衡问题。

锌基液流电池目前的研究重点总结如下：

1. 抑制锌枝晶和析氢反应

电极改性：如深圳理工大学通过铅纳米颗粒修饰碳毡电极，引导锌均匀沉积，抑制枝晶，并提高析氢过电位。

电解液添加剂：引入NH4+、Li+等离子或有机分子（如甘油），通过静电屏蔽或改变锌离子溶剂化结构优化沉积行为。

隔膜优化：开发新型多孔膜或离子传导膜，减少锌累积和交叉污染。

2. 提升能量密度和功率密度

通过高浓度电解液（如碱性锌铁液流电池中Fe(CN)63-浓度达1 mol/L）和三维多孔电极设计，提高活性物质利用率。

优化电池结构（如酸碱混合体系），结合不同pH电解液优势，提升整体性能。

3. 降低成本与推动产业化

开发低成本隔膜（如聚烯烃）和系统集成技术，降低初始投资。

推动中试项目，如中南大学锌基液流电池技术计划进入中试阶段，验证大规模应用可行性。

4. 机理研究与新材料开发

中国科大通过研究锌电极的电溶解机理，设计择优取向的锌电极结构，抑制不均匀溶解，提升循环寿命。

探索新型正极活性物质（如有机物或复合电对），突破现有体系的性能限制。

锌基液流电池凭借低成本、高安全性和长寿命，在分布式储能和电网调峰领域潜力巨大，但需解决枝晶、面容量和材料腐蚀等问题。当前研究聚焦于电极/电解液优化、机理探索和产业化推广，未来随着技术进步，锌基液流电池有望成为大规模储能的主流选择。