综述：全铁液流电池（AIFBs）的最新进展

这篇综述聚焦全铁液流电池（AIFBs）。AIFBs 或能降低氧化还原液流电池（RFBs）成本，但酸性体系存在铁枝晶和析氢问题，碱性体系有铁水解沉淀问题。文中揭示了这些问题的成因，总结了解决方案，还探讨了配体影响，极具参考价值。

　　

全铁液流电池（AIFBs）的最新进展

引言

风能、太阳能等可再生能源具有间歇性和不稳定性，这给电网的稳定运行带来了巨大挑战。大规模储能技术在保障可再生能源电网稳定性方面至关重要。在当前的储能领域，电化学储能技术众多，包括燃料电池、氧化还原液流电池（RFBs）、锂离子电池、铅酸电池等。其中，RFBs 因其可通过简单增减电解液体积来调整容量，特别适合大规模储能应用。

目前应用最广泛的 RFB 是全钒液流电池（AVFB），但它面临着三大难题：一是生产成本高，五氧化二钒（V₂O₅）的工业价格高达 11200 美元 / 吨；二是电解液制备过程复杂；三是设备要求高，V₂O₅在 40°C 以上会发生沉淀。为此，研究人员尝试在 RFBs 中使用其他金属元素的电解液，如锰（Mn）、铁（Fe）、铜（Cu）、锌（Zn）等，以克服 AVFBs 的问题。在这些金属中，铁资源丰富，价格约为 110.34 美元 / 吨，仅为 V₂O₅价格的 1%。因此，铁基 RFBs 具有材料成本低的优势。铁基 RFBs 包括全铁液流电池（AIFBs），其正电解液（posolyte）和负电解液（negolyte）均以铁为活性材料，以及仅一侧使用铁元素的 RFBs，如铁 - 铬液流电池和锌 - 铁液流电池。

水系 AIFBs 的原理及常见问题

在 RFBs 中，Fe³⁺/Fe²⁺氧化还原电对常用于正电解液，而 Fe²⁺/Fe 氧化还原电对用于负电解液。但这些氧化还原电对仅适用于酸性体系，因为在碱性条件下，Fe³⁺和 Fe²⁺容易形成氢氧化铁或氢氧化亚铁沉淀，从而导致电池容量下降 。

如何抑制铁枝晶的形成和生长

铁枝晶形成的主要原因是电极表面电流密度分布不均。因此，抑制枝晶生长的主要方法是降低电极表面的实际电流密度，具体方法如下：

• 增加电极的比表面积：使用 Cu (NO₃)₂溶液处理碳纤维表面，这一过程增加了碳纤维 / 毡的缺陷密度和比表面积，降低了实际电流密度。

配体对 Fe³⁺/Fe²⁺氧化还原电位的影响

由于不同配体的平衡常数不同，Fe³⁺/Fe²⁺电位会受到各种铁配合物的影响。亚铁氰化物的平衡电极电位比 Fe³⁺/Fe²⁺的平衡电极电位更负，而邻菲罗啉铁（Fe - phen）的平衡电极电位比 Fe³⁺/Fe²⁺的平衡电极电位更正。因此，可以通过使用不同的配体进行配位，来调节 AIFB 中具有不同电极电位的铁配合物。

有机 AIFBs

水系 AIFBs 以水为溶剂，其电化学窗口仅为 1.23V，这不仅限制了活性材料的选择范围，还使得提高 AIFB 的能量密度变得困难。有机溶剂的电化学窗口可高达 5V，因此使用有机溶剂理论上可以提高 AIFB 的能量效率，并扩大活性材料的选择范围。

总结与展望

本文详细阐述了酸性和碱性 AIFBs 的设计原理、面临的挑战及解决方案。目前，研究人员在酸性 AIFBs 方面主要关注负电解液中 Fe²⁺/Fe⁰与正电解液中 Fe³⁺/Fe²⁺之间的相互转化；在碱性 AIFBs 方面，则侧重于寻找合适的配体来制备负电解液中的铁配合物。

未来，研究人员应高度重视为碱性 AIFBs 的负电解液开发新型配体，以实现更稳定的性能。