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Mild pH-decoupling aqueous flow battery with practical pH recovery

解耦(概率) 水溶液 化学 材料科学 环境科学 化学工程 控制工程 工程类 有机化学
作者
Dawei Xi,Abdulrahman M. Alfaraidi,Jinxu Gao,Thomas Cochard,Luana Cristina Italiano Faria,Zheng Yang,Thomas Y. George,Taobo Wang,Roy G. Gordon,Richard Y. Liu,Michael J. Aziz
出处
期刊:Nature Energy [Springer Nature]
被引量:5
标识
DOI:10.1038/s41560-024-01474-1
摘要

Establishing a pH difference between the two electrolytes (pH decoupling) of an aqueous redox flow battery (ARFB) enables cell voltages exceeding the 1.23 V thermodynamic water-splitting window, but acid–base crossover penalizes efficiency and lifetime. Here we employ mildly acidic and mildly alkaline electrolytes to mitigate crossover, achieving high round-trip energy efficiency with open circuit voltage >1.7 V. We implemented an acid–base regeneration system to periodically restore electrolytes to their initial pH values. The combined system exhibited capacity fade rate <0.07% per day, round-trip energy efficiency >85% and approximately 99% Coulombic efficiency during stable operation for over a week. Cost analysis shows that the tolerance of acid–base crossover could be increased if the pH-decoupling ARFB achieved a higher voltage output and lower resistance. This work demonstrates principles for improving lifespan, rate capability and energy efficiency in high-voltage pH-decoupling ARFBs and pH recovery concepts applicable for pH-decoupling systems. Establishing pH differences in aqueous flow batteries widens their voltage window, but acid–base mixing shortens their lifespan. In this study, the authors introduced a pH recovery system to address crossover issues, ensuring long-lasting, high-voltage pH-decoupled flow batteries.
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