液流電池具有循環(huán)壽命長、安全性好以及能量與功率可單獨調控的優(yōu)勢，在大規(guī)模儲能領域極具潛力，其中全釩液流電池的研究最為廣泛。
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目前全釩液流電池成本為3500~4500元/kWh，其中電解液的成本占液流電池總成本的60%~70%，受釩價格的影響巨大，限制了其應用。因此，探索低成本的液流電池是推進該技術發(fā)展的必要途徑。
Robert F.Service于2018年提出鐵基電解質廉價且易于獲取和失去電子，是一種全釩液流電池電解質的替代技術。
本文主要探討了鐵基液流電池的發(fā)展歷程，綜述了不同種類鐵基液流電池的研究進展，分析總結了鐵基液流電池的優(yōu)勢和特點，重點介紹其應用情況，并對其未來的發(fā)展方向進行了展望。
▲鐵基液流電池性能對比
由上表可知，鐵基液流電池具有明顯的成本優(yōu)勢；鐵鉻液流電池與鋅鐵液流電池的能量效率最接近全釩液流電池，但鐵鉻液流電池容量衰減率較高，鋅鐵液流電池在高電流密度下能量效率下降明顯；鐵釩、鐵鈦和全鐵液流電池的性能與全釩液流電池相比有較大差距。
鐵鉻液流電池
NASA在20世紀70年代便開展了鐵鉻液流電池的研究，是最早出現(xiàn)的液流電池系統(tǒng)，也是目前研究與示范應用最多的鐵基液流電池。該電池以Fe2+/Fe3+為正極，Cr3+/Cr2+為負極，其優(yōu)勢在于活性物質的成本較低，但負極緩慢的電化學反應動力學以及析氫副反應影響了其性能。
對于鐵鉻液流電池應重點開展電極、電解液等關鍵材料的研究，以解決反應動力學緩慢和負極析氫的問題，從而提高液流電池的性能。此外，面向大規(guī)模儲能的應用需求，應推進鐵鉻液流電池電堆設計及系統(tǒng)集成研究。
鐵鈦液流電池
除鐵鉻液流電池外，Thaller也探討了低成本的以Fe2+/Fe3+為正極、Ti3+/Ti2+為負極的鐵鈦液流電池系統(tǒng)。
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鐵鈦液流電池受限于負極較慢的電化學反應動力學，且能量效率較低，與其他液流電池系統(tǒng)相比并不具有優(yōu)勢。因此，對于鐵鈦液流電池的研究多集中于20世紀80年代，之后很少有相關的報道。
鋅鐵液流電池
在1979年，研究者提出了以Fe(CN)63－/Fe(CN)64－、Zn2+/Zn為電極電對的堿性鋅鐵液流電池，能量效率達到了74%。
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然而，該體系的鋅負極容易產生不規(guī)則的鋅枝晶，在循環(huán)過程中不斷生長，最終刺穿電池膜，造成電池短路，嚴重影響電池的循環(huán)壽命和可靠性。針對上述問題，研究者重點開展了帶負電荷的隔膜的研究。
鋅鐵液流電池與全釩液流電池相比，成本優(yōu)勢明顯，該電池具備工業(yè)應用的潛力。
鐵釩液流電池
為結合全釩液流電池與鐵鉻液流電池的優(yōu)勢，美國太平洋西北國家實驗室提出了一種以V2+/V3+為負極、Fe2+/Fe3+為正極的液流電池。
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與鐵鉻液流電池相比，負極的V3+/V2+比Cr3+/Cr2+更具電化學活性，避免了昂貴催化劑的使用。與全釩液流電池相比，正極電解液避免了高氧化性V5+的使用，可以用基于碳氫化合物的離子交換膜代替昂貴的Nafion膜，顯著降低液流電池系統(tǒng)的成本。
開發(fā)鐵釩液流電池旨在結合全釩液流電池與鐵鉻液流電池的優(yōu)勢，但由于負極以釩作為活性物質，其成本仍受釩價格的限制，而且未解決電解液交叉污染的問題。因此，近年來對于鐵釩液流電池的研究并不多。
全鐵液流電池
全鐵液流電池是1981年由Hruska提出的，其正負極活性物質為不同價態(tài)的含鐵化合物，解決了電解液互串的問題。近年來，全鐵液流電池因其成本優(yōu)勢受到研究者的廣泛關注，重點關注以下問題：
(1)因固體鐵參與電極反應，能量與功率并未完全分開；
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(2)鐵在負極的沉積導致枝晶的形成；
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(3)負極電位低于標準電極電位導致發(fā)生析氫副反應。
▲全鐵液流電池的電化學性能
面向大規(guī)模儲能領域的發(fā)展需求，針對傳統(tǒng)全釩液流電池高成本的問題，鐵基液流電池的開發(fā)為大規(guī)模儲能提供了一種更加經(jīng)濟的選擇。
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從最初的鐵鉻液流電池到正在持續(xù)發(fā)展的全鐵液流電池，鐵基液流電池吸引了越來越多研究者的關注。國內外許多公司已經(jīng)開展了鐵鉻液流電池和鋅鐵液流電池的示范應用，而全鐵液流電池是未來最主要的發(fā)展方向之一。
在鐵基液流電池快速發(fā)展的時期，仍需進一步加強關鍵材料的研發(fā)工作，提高電極反應動力學，解決負極析氫的問題，探索新的鐵絡合物電對以提高鐵基液流電池的性能，并不斷推進大功率鐵基液流電池的工業(yè)化應用。
參考資料：鐵基液流電池研究進展；作者:曹中琦，張 英， 張力婕， 袁學玲
原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦儲能與充電）：鐵基液流電池研究進展