2.2.6 铁/铬液流电池

铁/铬液流电池是最早被提出的液流电池体系，为液流电池技术的发展奠定了理论和技术基础，其正负极分别采用Fe2+/Fe3+ 和Cr2+/Cr3+电对，盐酸作为支持电解质，水作溶剂。其电极反应为

正极：

负极：

电池总反应：

铁/铬液流电池正极反应的标准电位为+0.77V，负极为-0.41V，铁/铬液流电池的标准开路电压约为1.18V。

与全钒液流电池相比，铁/铬液流电池的原材料铁、铬的成本更加低廉，且具有和全钒液流电池相当的安全性。然而，针对商业化应用，铁/铬液流电池还存在能量密度较低，催化剂造价昂贵，最佳工作温度较高（40～60℃）等问题。目前，铁/铬液流电池的主要技术瓶颈在于以下几个方面：

1）铬氧化还原可逆性差，限制了电池的能量效率，即使在使用电催化剂、提高电池运行温度的条件下，依然难以提高电池性能；

2）充电过程中，析氢现象较为严重，这不仅降低了电池系统的能量效率，而且存在安全隐患；

3）电池正负极活性物存在互串问题，降低了电池的库仑效率、容量及使用寿命。

1974年，美国国家航空航天局（NASA）首次提出铁/铬液流电池，但由于Fe/Cr体系液流电池在初期研发过程中面临着不可克服的正负极离子交叉污染问题，NASA于20世纪80年代初终止了这项研究，并将该技术作为“月光计划”的一部分，将相关技术转移给日本继续开发，并于1984年和1986年成功制备出10kW和60kW的Fe/Cr液流电池原型系统。20世纪90年代之后，关于Fe/Cr体系液流电池的报道非常少。2014年5月，美国Enervault公司在美国能源局（DOE）ARRA储能示范项目（约476万美元）及加州能源委员会PIER项目（约47.6万美元）的资助下，于加州特洛克建成并投运了250kW/1WMh的Fe/Cr液流电池系统。该电池系统与150kWp光伏系统结合，为一个260kW的灌溉泵供电，以减少需求费用。据报道，该项目于2015年6月停运。

2019年11月5日，中国国家电投公司所属中央研究院和上海发电设备成套设计研究院联合项目团队，研发的首个31.25kW Fe/Cr液流电池电堆“容和一号”（见图2-35）成功下线并通过了检漏测试。该电堆是目前全球最大功率的Fe/Cr液流电池电堆。同时，中央研究院正联合上海成套院开展国内首个百kW级Fe/Cr液流电池储能示范项目的建设工作，项目设计规模为250kW/1.5MWh，将采用8个“容和一号”电堆。

目前，针对Fe/Cr液流电池的研究开发相对较少，参考文献［44］利用循环伏安、极化曲线和交流阻抗方法分析了电极对铁/铬液流电池电极反应的影响因素，计算出其电极反应动力学参数：扩散系数D_o=7.98×10-6cm2/s；反应速率常数k_o=9.15×10-4cm/s；交换电流密度J_o=2.7×10-3A/cm2。在石墨电极表面的Fe（Ⅱ）-Cr（Ⅲ）电极反应过程受扩散控制；比较石墨、热解石墨、金刚石和Pt电极的结果说明，电极材料的差异可使得Fe2+/Fe3+电对的电极反应速率形成一个数量级的差距。