Page 39 - 《精细化工》2021年第4期
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第 4 期 曹德富，等: 电化学流体电容器的研究进展 ·673·
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储方面取得了重大突破 。这些进步主要针对微电 电池的大小和数量）以及充放电时的电化学过程。
子产品以及电动汽车等应用场景，其中氧化还原液 二者在能量密度和储能机理上存在差异。首先，液
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流电池（RFBs） 、熔盐电池（主要是 Na-S 电池） [10] 流电池将可溶解电对溶于电解液中，通过发生氧化
和锂离子半固态流体电池（SSFC） [11] 等可流动的电 还原反应进行储能，由于氧化/还原电对物质在电解
化学系统则适用于电网规模能源存储。但目前这些 液中的溶解度有限（一般 1~2 mol/L） [16] ，导致液流
技术存在的主要问题是充放电速度慢（小时级）和 电池的能量密度偏低；而 EFC 利用半固态流体（浆
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使用寿命有限（< 20000 个循环） 。因此，对于如 料）电极进行储能，取代了传统液流电池中的液体
大型场所的应急备用电源和公用事业的调峰或负载 储能电极，使得半固态电极中固体活性材料的“等
调平等应用不一定是最佳选择 [12] 。超级电容器通过 效”溶解度高达数十摩尔/升 [15] ，突破了传统液流电
在活性材料表面形成双电层电容（EDLC）或通过在 池中氧化/还原电对在电解液中溶解度的限制，使得
活性材料/电解液界面处发生法拉第反应来存储电荷 能量密度大幅提升。其次，液流电池是基于液体电
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并可快速充放电 。与锂离子电池相比，超级电容器 解液中可溶解电对发生的氧化还原反应进行储能
的功率密度高约 10 倍，充放电速度快约 100 倍，寿 的；而 EFC 则是通过在活性材料表面形成双电层电
命延长约 1000 倍 [13] ，在解决负载均衡、削峰填谷等 容进行储能的，其电荷存储机制示意图如图 1b 所
电网稳定问题上表现出了巨大的潜力。但由于超级 示。在充电过程中，阳离子和阴离子分别迁移到电
电容器的能量密度低（比锂离子电池低约 20 倍）和成 容器一侧的电极表面，与电极表面相反的电荷平衡
本高的问题，限制了其在智能电网中的广泛应用 [14] 。 形成双电层，存储电荷。在放电过程中，活性材料
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电化学流体电容器（EFC） 是一种新型的电容 表面双电层被逐渐去极化，释放电荷，其储能基本
器，也称半固态电容器，由德雷塞尔大学的 GOGOTSI 原理与超级电容器相同。EFC 结合了超级电容器高
课题组率先提出并实现，其结构如图 1a 所示。EFC 功率密度、较高的循环稳定性和液流电池能量密度
与液流电池的器件结构类似 [15] ，主要由中央反应室、 与功率密度独立可调的优点，并具有快速充放电的
储液罐、外部输送管道及浆料驱动装置组成，其中 能力，能够快速响应大规模和快速充放电需求和能
储能容量由电极浆液储罐的大小和活性物质的容量 源的波动与消耗的快速变化，在能源的迅速回收方
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决定，而功率取决于电化学电池堆的大小（即单个 面具有极大的应用潜力 。
图 1 EFC 的工作原理示意图（a）；EDLC 的电荷存储机制示意图（b）
Fig. 1 Schematic diagrams of EFC working principle (a) and charge storage mechanism of EDLC (b)
本文从 EFC 的电极微结构设计出发，综述了近 段理解流体电极的导电机制以及电极与集流体、固
年来关于电极活性材料、电解液以及导电网络设计 体材料（活性材料、导电剂）与电解液之间的界面
等方面的研究，指出研究的核心问题是获得兼具低 科学问题将是一个重点研究方向，对未来 EFC 的研
黏度和高导电性的半固态流体电极，进而提高其电 究有一定的参考意义。
化学性能。未来结合先进的表征分析技术和测试手
