2024-09-18 | 科研部 南科大机械系赵天寿院士/魏磊/曾林团队提出用于液流电池容量恢复的新型甲酸氧化还原燃料电池

近日，南方科技大学机械与能源工程系讲席教授、中国科学院院士赵天寿，副教授魏磊，副教授曾林团队提出了一种新型的高性能全液体甲酸氧化还原燃料电池(LFARFC)，相关论文以“A Novel High-performance All-liquid Formic Acid Redox Fuel Cell: Simultaneously Generating Electricity and Restoring Capacity of Flow Batteries”在Energy & Environmental Science (EES)上发表。该工作突破了传统燃料电池的限制，将价态发生偏移的液流电池电解液用作燃料电池阳极反应物，取代了传统的氧还原反应（ORR）电极，不仅能够高效产生电能，还可以对液流电池的电解液进行重整，从而恢复液流电池容量，实现了废弃电解液“变废为宝”的效果（图1）。

图1 全液体甲酸氧化还原燃料电池的双功能应用

本研究开发的LFARFC，通过采用含有氧化还原活性物质的电解液对作为燃料电池的阴极活性物质，取代传统的ORR电极，避免了ORR贵金属催化剂，解决了甲酸燃料电池中混合电势和阴极电化学动力学效率低下的问题。

图2 传统甲酸燃料电池与新型氧化还原燃料电池对比

为了提升输出功率密度，研究人员使用铋修饰的Pt/C电催化剂，提升了甲酸的氧化反应效率，并显著增强了CO耐受性。在此基础上，LFARFC在多个关键性能指标上表现优异（图3），开路电压达到1.23 V，峰值功率密度为281.5 mW/cm²，分别比传统甲酸燃料电池提升了55.7%和235.1%。

图3 新型催化剂的CO耐受性和LFARFC的高性能

研究人员探讨了LFARFC在恢复液流电池容量中的实际应用。通过与钒氧化还原液流电池（VRFB）结合，在100圈循环测试后，VRFB的容量由于自放电等因素有所衰减，但通过LFARFC进行再充电处理，电池容量能够恢复到初始最高水平的97.6%。在多次长循环后，利用LFARFC均能实现这样的容量恢复效果（图4）。这一结果证明了LFARFC可以有效延长液流电池循环寿命。

图4 利用LFARFC实现VRFB的容量恢复

该研究工作为高效能源存储与转换系统的设计提供了新的思路。通过将燃料电池阳极和液流电池活性物质相结合，成功地解决了甲酸燃料电池中的一些固有问题，同时还为液流电池的容量恢复提供了有效的技术支撑。这种双系统设计展现了在未来大规模、长时储能系统中的广泛应用前景。

赵天寿院士、魏磊副教授、曾林副教授为论文共同通讯作者，机械与能源工程系2021级硕士韦东波、2022级博士生潘律名、访问学者孙静为共同第一作者。南方科技大学为论文的唯一通讯单位。本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省科技厅、深圳市科技创新局等单位的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1039/D4EE02450H

供稿：机械与能源工程系

通讯员：邓苏

编辑：周易霖