铀铁液流电池：利用贫化铀实现高效储能的新途径

《Results in Engineering》：A fundamental study on clarifying the potential performance of a new rechargeable battery using uranium as an active material

本文针对可再生能源波动性问题，提出了一种基于铀铁氧化还原对的非水相液流电池新体系。研究团队通过电化学方法系统评估了U(IV)/U(III)和Fe(III)/Fe(II)电对的反应动力学特性，证实其标准速率常数与全钒液流电池相当。模拟计算表明，在优化电极间距（<100μm）条件下，该电池的能量效率可达80%，为贫化铀资源化利用和大型储能提供了新思路。

　　

随着风电、光伏等可再生能源装机容量的快速提升，电网稳定性面临严峻挑战。这些"看天吃饭"的电源输出功率受自然条件影响巨大，导致供需失衡现象频发。为解决这一难题，储能系统成为平滑电网波动的关键技术。其中，液流电池因其容量可调、寿命长等优势，在大规模储能领域展现独特价值。目前商业化程度最高的全钒液流电池虽技术成熟，却受制于钒资源分布不均和价格波动。与此同时，核燃料生产过程中产生的贫化铀全球库存已达160万吨，这类富含铀-238的副产物因无法用于现有轻水堆而长期闲置。如何将放射性废弃物转化为高附加值产品，成为能源材料领域的前沿课题。

近日发表于《Results in Engineering》的研究论文，首次系统评估了铀-铁液流电池的潜在性能。研究团队通过巧妙设计非水相电解质体系，成功实现了铀元素在储能装置中的高效利用。该工作不仅为贫化铀的资源化利用开辟了新路径，更为下一代大规模储能技术提供了创新解决方案。

本研究的关键技术方法主要包括：采用循环伏安法和计时安培法测定U(IV)/U(III)与Fe(III)/Fe(II)电对的反应动力学参数；通过电化学阻抗谱评估电解质电导率；利用巴特勒-沃尔默方程进行电池性能模拟；使用紫外-可见光谱分析配合物结构特征。所有实验均在充满干燥氩气的手套箱中完成，确保无水无氧环境。

电化学表征揭示反应机理

研究人员首先通过循环伏安法考察了10 mM U(IV)Cl₄在1 M [EtMeIm]Cl-DMF溶液中的氧化还原行为。结果显示，U(IV)/U(III)电对的式量电位为-1.89 V（相对于Fc/Fc⁺），标准速率常数达1.5×10^-3cm/s。特别值得注意的是，紫外光谱中407 nm和452 nm的特征峰表明，铀离子与过量氯离子形成了八面体构型的UCl₆^2-配合物，这种结构变化导致其电位较无氯离子体系负移约0.3 V。

铁电对展现优异动力学特性

对Fe(III)/Fe(II)体系的测试表明，该电对在相同电解质中表现出更快的反应动力学，标准速率常数为3.7×10^-3cm/s，式量电位为-0.43 V。虽然高浓度氯离子环境显著改变了铁离子的配位结构，但其电化学可逆性仍保持良好，这为构建高倍率电池奠定了基础。

导电性成性能瓶颈

电解质电导率测试结果显示，1 M [EtMeIm]Cl-DMF溶液的导电性仅为9.8 mS/cm，不足水性体系的十分之一。这一发现提示欧姆损耗可能成为影响电池效率的关键因素。

模拟预测理想性能

通过建立包含电极反应和欧姆极化的数学模型，研究人员模拟了不同工况下的电池性能。当电极间距从1 cm缩小至0.1 cm时，电池在1C倍率（14.5 mA/cm²）放电时的电压仍能保持在1.0 V以上。更重要的是，在电极间距≤100 μm的条件下，电池在80 mA/cm²高电流密度下的能量效率预计可达80%，与商用全钒液流电池相当。

这项研究首次从理论和实验层面证实了铀铁液流电池的技术可行性。铀电对较高的反应速率和合适的电位差，使其具备实现高效能量转换的先天优势。尽管在实际应用中仍面临电解质导电性优化、膜材料选择、放射性防护等挑战，但该工作为贫化铀的资源化利用提供了全新思路。将核工业副产物转化为储能材料，不仅可实现"变废为宝"，更有望促进核能与可再生能源的协同发展，为构建低碳能源体系提供新的技术路径。