A Universal Additive Design Strategy to Modulate Solvation Structure and Hydrogen Bond Network toward Highly Reversible Fe Anode for Low‐Temperature All‐Iron Flow Batteries

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作者
Jing Yang,Hui Yan,Qian Zhang,Yuanfang Song,Ying Li,Ao Tang
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:20 (8) 被引量:9
标识
DOI:10.1002/smll.202307354
摘要

Abstract Aqueous all‐iron redox flow batteries (RFBs) are promising competitors for next‐generation grid‐scale energy storage applications. However, the high‐performance operation of all‐iron RFBs in a wider temperature range is greatly hindered by inferior iron plating/stripping reaction and low solid–liquid transition temperature at Fe anode. Herein, a universal electrolyte additive design strategy for all‐iron RFBs is reported, which realizes a highly reversible and dendrite‐free Fe anode at low temperatures. Quantum chemistry calculations first screen several organic molecules with oxygen‐containing functional groups and identify N,N‐Dimethylacetmide (DMAc) as a potential candidate with low cost, high solubility, and strong interactions with Fe 2+ and H 2 O. Combined experimental characterizations and theoretical calculations subsequently demonstrate that adding DMAc into the FeCl 2 solution effectively reshapes the primary solvation shell of Fe 2+ via the Fe 2+ ‐O (DMAc) bond and breaks hydrogen‐bonding network of water through intensified H‐bond interaction between DMAc and H 2 O, thereby affording the Fe anode with enhanced Fe/Fe 2+ reversibility and lower freezing point. Consequently, the assembled all‐iron RFB achieves an excellent combination of high power density (25 mW cm −2 ), long charge‐discharge cycling stability (95.59% capacity retention in 103 h), and preeminent battery efficiency at −20 °C (95% coulombic efficiency), which promise a future for wider temperature range operation of all‐iron RFBs.
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