大连化物所揭示全钒液流电池正极电解液稳定化机理

近日，大连化物所储能技术研究部（DNL17）李先锋研究员团队和中国科学院化学研究所张燕燕副研究员合作，在全钒液流电池（VFBs）正极电解液稳定性研究方面取得新进展。团队通过系统研究VFB正极电解液中五价钒离子的溶剂化结构随温度的转化过程，阐明了正极电解液沉淀析出机理，并据此提出了高稳定性钒电解液设计策略。

VFBs具有安全性高、效率高、寿命长等优势，在大规模电力系统储能领域具有广阔的应用前景。电解质溶液作为储能介质，其浓度和稳定性决定了电池系统的稳定性和能量密度。目前，正极电解液中五价钒 [V(V)] 在高温（> 45 °C）环境下易转化为五氧化二钒（V2O5）沉淀，影响了系统的可靠性，并对电池的热管理提出了很高的要求。

针对这一关键科学问题，研究团队结合从头算分子动力学（AIMD）模拟与原位液体飞行时间二次离子质谱（in situ liquid ToF-SIMS）表征技术，系统解析了V(V) 溶剂化结构从[VO2(H2O)3]+到 VO(OH)3的完整转化过程。

研究发现，水合V(V)离子（[VO2(H2O)3]+）在高温和高浓度下会经脱水、去质子和质子转移过程，最终形成沉淀前驱体的偏钒酸（VO(OH)3）。第二次脱质子反应能垒最高，是反应的速率决定步骤。相比之下，硫酸根配位的V(V) 离子可有效抑制水分子的极化及后续去质子化过程，从而在高温环境下表现出优异的稳定性。基于上述机理，团队开发出混合酸钒电解液（2 MV），在50°C条件下实现单电池稳定运行3,000次以上。本研究不仅揭示了V(V) 溶剂化结构的转化机理，同时为提高电解液的稳定性，以及进一步提升VFB系统的可靠性和能量密度具有重要的指导意义。

上述成果以“Harnessing Solvation Chemistry of Pentavalent Vanadium for Wide-temperature Range Vanadium Flow Batteries”为题，于近日发表在《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）上。该工作的第一作者是我所DNL17博士研究生穆晨凯。上述工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、辽宁滨海实验室、中国科学院A类先导专项“基于高比例可再生能源的储能关键技术与示范”等项目的支持。