第一作者：Fang Wang, Wenda Wu
通讯作者：Tianbiao Liu, Yu Zhao
通讯单位：Utah State University, Ocean Univeristy of China
1. 通过调控流速，发现除常见电池参数外其他可影响脱盐液流电池性能的因素。
2. 结合电化学阻抗谱图的研究，进一步发现了流速对脱盐性能及电池性能的相关趋势。
3. 通过解读数据发现，随着流速增加，电池内阻降低，物质转移阻力下降，进而提升脱盐性能与电池性能。
随着全球人口的快速增长，现代社会的淡水需求也在同步增加。然而，地球上97%的水为高盐量、不可食用的海水。目前最为广泛应用的海水淡化方式为反向渗透法 (reverse osmosis)。但是，高成本 (>0.53$/m3）、高耗能 (>3 Wh/L）限制了反向渗透法在许多地区的使用。因此，将海水高效、节能地变为可利用的淡水成为一个急需解决的问题。近年来，一些新兴的方法如电渗析、电容去离子法、法拉第去离子法都有不同程度的缺陷。它们或受限于使用过程中的电极容量衰减，或受限于设备容量过低而无法用于高盐浓度水（海水）的脱盐处理，这也对一个高效、低成本、高容量脱盐设备的需求迫在眉睫。
另一方面，近年来对有机水系液流电池的研究进行的如火如荼。许多廉价、效率、稳定的有机分子材料，如二茂铁衍生物、紫精衍生物、铁氰化物等，被广泛开放并应用于水系液流电池中，这些材料都展示了优越的电池性能和长期稳定性。
2020年，来自刘天骠团队(课题组主页：www.tianbiaoliu.org)的Dr. Camden等人报道了一个集能源储存与海水淡化于一体的脱盐液流电池设备。不同于一般的液流电池“一膜两室”的模型，该设备采用“两膜三室”的设计（如图1所示），搭配甲基紫精和亚铁氰化钠分别作为阳极和阴极电解液材料。通过对电流密度、活性物质浓度的一系列优化，该设备对模拟海水和真实海水都取得了优秀的脱盐效果，能耗仅为2.4 Wh/L、淡化效率达到4.55 mL/hr。同时，作为储能设备，该电池的电压有0.85V，能量效率也达到76.7%，10个充放电（浓缩/淡化）循环后电池并未出现容量和性能的衰减。同比其他脱盐液流电池（如锌/亚铁氰化钠体系），该设计表现出卓越的性能、速度与效率。为了进一步深入研究，Dr. Wang等人在原有设备基础上，通过调控电解液流速进一步发现并解读了这一因素对脱盐液流电池产生的影响。
图1. 甲基紫精/亚铁氰化钠体系脱盐液流电池结构示意图。红、蓝箭头分别表示盐离子在电池充、放电过程中的转移方向。
在充电（储能）过程中，甲基紫精被还原并向中间腔室释放一个氯离子，同时亚铁氰化钠被氧化并向中间腔室释放一个钠离子，位于中间腔室的溶液被浓缩。充电结束后，将中间腔室的浓缩盐水换为新的模拟海水并进行放电，此时阴阳极活性物质经过与充电过程相反的电化学变化，中间腔室的钠、氯离子也因为阴、阳极电解液电荷的变化而逸出，从而达到释放能量同时淡化海水的过程。
图2. 在使用相同设备及操作的情况下，甲基紫精/亚铁氰化钠体系脱盐液流电池在3个不同流速（20、40、60 mL/min）下的脱盐性能、电池性能对比。
通过图中数据的变化，我们不难看出，在流速增加的情况下，电池脱盐率、容量、能量效率及功率密度都显示出递增的变化。更有趣的是，充放电曲线所体现的电池内阻（过电位）随着流速增加出现了递减的变化。这一变化促使我们深入探讨电池充放电过程中，不同充/放电百分比状态下电池的阻抗随流速的变化情况。
图3. 不同充/放电百分比状态下，电池的电化学阻抗谱图。
在不同的充/放电百分比状态下，电池电阻的变化都显示出一致的趋势。首先，高频区电阻（Nyquist plot与X轴的交点）随着流速增加出现明显递减的现象，这一变化与前文观察到的过电压降低的现象相符合。其次，流速增加后，Nyquist plot中指示质量传递电阻的‘半圆’也更为明显，这一变化指出物质的质量传递在高流速下更易发生。
本文通过控制变量法，采用目前性能最佳的甲基紫精/亚铁氰化钠体系脱盐液流电池为模型，探讨了流速对于电池脱盐性能及电池表现的影响。在研究中发现，流速对电池内阻及电解液中活性物质的质量转移具有明显的促进效果。提升流速时，电池内阻明显降低，物质的质量转移效应得到促进，进一步提升了电池的脱盐效率及电池性能。
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2468606921001155
吴闻达， 博士研究生，就读于犹他州立大学化学生物系，在刘天骠教授的课题组(从事有机液流电池的储能和海水淡化研究。
刘天骠教授团队 （主页：www.tianbiaoliu.org) 的主要工作集中在电池储能包裹液流电池，金属镁和锂电池，电催化能源转化，绿色催化有机合成，及电化学在环境科学的应用包裹海水淡化和排污处理。课题组的主要成果发表在Nature Materials, Nature Chemistry，Joule，Chem，JACS，ACS Energy Letters, Angew. Chem. Int. Ed.， Adv. Mater.，Adv. Energy Mater，Energy Environ. Sci. 等化学和材料领域顶级学术刊物，并申请多项国际专利项。
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