近日，中国科学院大连化学物理研究所研究员李先锋和研究员刘涛团队在高功率密度全钒液流电池电极研究方面取得新进展，开发出一种铋（Bi）单原子负载石墨毡电极，其在240mA/cm2的电流密度下能量效率达到81.2%，峰值功率密度达到990mW/cm2，为高功率密度全钒液流电池电极材料的设计提供了新思路。相关成果发表在《美国化学会志》上。
全钒液流电池因具有高安全、长寿命、环境友好等优点，已成为大规模储能的首选技术之一。然而，负极V3+/V2+反应速率较慢导致极化较大，造成电池功率密度较低、电堆成本较高。同时，钒离子氧化还原反应机理仍不明晰，阻碍了高活性电极材料的开发。
铋单原子负载石墨毡电极。大连化物所供图
针对上述问题，本工作中团队通过电化学原位全反射红外光谱研究了[V(H2O)6]3+/[V(H2O)6]2+的反应过程，揭示了脱溶剂化为该反应的控速步骤，在此基础上开发出一种具有高活性、高稳定性的Bi单原子电催化剂，通过理论计算证实了催化剂中的Bi-N4结构能够促进钒离子脱溶剂化并降低反应能垒。使用该Bi单原子电催化剂负载石墨毡电极的全钒液流电池在240mA/cm2的电流密度下能量效率可以达到81.2%，峰值功率密度达到990mW/cm2。相比传统的Bi纳米颗粒催化剂，其表现出了更高的电催化活性和稳定性，同时，在充放电过程中避免了Bi纳米颗粒催化剂的沉积溶解现象，将该电极放大应用在5KW电堆上也表现出了明显的提高效果。
该工作有助于理解全钒液流电池的电极反应机理，进而为高效电催化剂的设计开发提供新的思路，对全钒液流电池的提效降本有重要意义。
相关论文信息：https://doi.org/10.1021/jacs.4c04951
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