鉄を主成分とする新しいフロー電池を開発(New All-Liquid Iron Flow Battery for Grid Energy Storage)

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2024-03-25 パシフィック・ノースウェスト国立研究所(PNNL)

米国エネルギー省太平洋北西部国立研究所(PNNL)の研究者たちは、水処理施設で一般的に使用されている化学物質を再利用し、大規模なエネルギー貯蔵用の新しいバッテリーデザインを開発しました。この設計は、安全で経済的な水ベースの流動バッテリーを可能にし、風力や太陽光などの断続的なエネルギー源を国の電力網に組み込むための別の手段を提供しています。この新しい鉄系バッテリーは、1000回の充放電サイクルで驚異的な安定性を示し、98.7%の最大容量を維持しました。これにより、風力や太陽光などの再生可能エネルギー源のエネルギーを貯蔵する新しい手段が提供されます。

<関連情報>

ホスホン酸塩をベースとする鉄錯体による、費用対効果が高く長サイクルの水性鉄還元フロー電池の開発 Phosphonate-based iron complex for a cost-effective and long cycling aqueous iron redox flow battery

Gabriel S. Nambafu,Aaron M. Hollas,Shuyuan Zhang,Peter S. Rice,Daria Boglaienko,John L. Fulton,Miller Li,Qian Huang,Yu Zhu,David M. Reed,Vincent L. Sprenkle & Guosheng Li
Nature Communications  Published:25 March 2024
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-024-45862-3

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Abstract

A promising metal-organic complex, iron (Fe)-NTMPA2, consisting of Fe(III) chloride and nitrilotri-(methylphosphonic acid) (NTMPA), is designed for use in aqueous iron redox flow batteries. A full-cell testing, where a concentrated Fe-NTMPA2 anolyte (0.67 M) is paired with a Fe-CN catholyte, demonstrates exceptional cycling stability over 1000 charge/discharge cycles, and noteworthy performances, including 96% capacity utilization, a minimal capacity fade rate of 0.0013% per cycle (1.3% over 1,000 cycles), high Coulombic efficiency and energy efficiency near 100% and 87%, respectively, all achieved under a current density of 20 mA·cm². Furthermore, density functional theory unveils two potential coordination structures for Fe-NTMPA2 complexes, improving the understanding between the ligand coordination environment and electron transfer kinetics. When paired with a high redox potential Fe-Dcbpy/CN catholyte, 2,2′-bipyridine-4,4′-dicarboxylic (Dcbpy) acid and cyanide (CN) ligands, Fe-NTMPA2 demonstrates a notably elevated cell voltage of 1 V, enabling a practical energy density of up to 9 Wh/L.

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