Recent Progress of Lithium-based Semi-solid Flow Batteries

doi:10.7503/cjcu20220731

Abstract

Abstract:

Semi-solid flow battery（SSFBs） is a critical technology for large-scale energy storage due to their promising characteristics of high energy density and design flexibility. Recently， tremendous research efforts have been made to design lithium-based SSFBs（Li-SSFBs）. In this review， the working principle and characteristics of Li-SSFBs are presented. The recent development of Li-SSFBs is also highlighted， in particular focusing on the active materials of cathodes and anodes. Finally， the challenges and future perspectives of Li-SSFBs are discussed. This will shed light on the research and development of Li-SSFBs.

Key words: Lithium-based semi-solid flow battery, High energy density, Active material

CLC Number:

O646

TrendMD:

XIN Benjian, WANG Rui, LIU Lili, NIU Zhiqiang. Recent Progress of Lithium-based Semi-solid Flow Batteries[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(5): 20220731.

Figures/Tables 13

Fig.1 The development of Lithium⁃based SSFBs

Fig.2 Schematic diagram of working principle of Li⁃SSFBs

Fig.3 Charge/discharge curves of semi⁃solid injection in a half Li⁃SSFB using LCO suspension(A)[20] and schematic of a carbon⁃free LTO/LCO Li⁃SSFB(B)[21]（A） Copyright 2011， Wiley-VCH.；（B） Copyright 2017， Elsevier.

Fig.4 Cycling characteristics of LMFP⁃based Li⁃SSFBs at 0.3 mA/cm2 under continuous flow mode[23]

Fig.5 Changes of SEI layer on KB surface during charging and discharging of LTO slurry[79]

Fig.6 Comparison of the potential and specific capacity of C, LTO and Si

Fig.7 TEM image of Si⁃C nanocomposite(A) and cycling performance of the Li⁃SSFB with Si⁃C at 0.2 mA/cm2(B)[31]

Fig.8 The discharge/charge curves of SiO x @C⁃CNT slurry under continuous flow mode at 0.4 mA/cm2[61]

Fig.9 Conventional lithium⁃ion battery electrode materials used in Li⁃SSFB（A） CV curves of VO2 and LiVPO4F in electrolytes of different concentrations；（B） long-term cycling performances of the LiVPO4F||VO2 at 20 mA/cm2［82］；（C） synthetic process of Nb2O5@C/CNTs nanocomposites；（D） schematic crystal structure of CSP［87］.

Fig.10 Schematic of Li⁃O2 SSFBs(A), potential profile of O2⁃saturated catholyte during galvanostatic discharge/charge cycles at 0.25 mA/cm2 in conventional electrochemical cell(B)[32] and potential profiles of PB catholyte at 0.5 mA/cm2 from 61th to 120th cycle(C)[34]（A， B） Copyright 2016， Elsevier；（C） Copyright 2018， Elsevier.

Fig.11 Schematic diagram of fabricating the S⁃KB@rGO composite(A), typical color changes of the electrolyte solutions consisting of two mixtures(B), cycle performance of the Li⁃SiP/S⁃C in intermittent⁃flow mode(C)[37] and cycling retention in specific capacity and Coulombic efficiency of Se⁃KB mixture slurry at 0.5 mA/cm2(D)[102]（B， C） Copyright 2018， Elsevier；（D） Copyright 2021， Wiley⁃VCH.

Fig.12 Advantages and electrochemical performance of Li⁃organic SSFBs（A） Comparison of voltage and volume specific capacity of different organic materials；（B） cycling retention in volumetric capacity and Coulombic efficiency of different ratio slurries at 0.2 mA/cm2［39］；（C） summary of the reported cell voltage， effective molarity， and energy density of various aqueous and nonaqueous redox flow batteries［103］；（D） schematic illustration of the hybrid Li-organic SSFBs；（E） comparison of voltage and cost of LiI-S and TEMPO-MPT systems［40］.

Table 1 Comparison for electrochemical performances of Li-SSFBs

Type	Cathode	Anode	Conductive additive	Electrolyte	Platform voltage/V	Capacity	Ref.
Li⁃ion SSFBs	LCO	LTO	KB	LiPF₆	2.35	145 mA·h/g at 1C	［20］
	LFP	Li	KB	LiTFSI	3.35	152 mA·h/g at 0.5 mA/cm²	［74］
	LMFP	Li	KB	LiTFSI	4.0	129 mA·h/g at 0.3 mA/cm²	［23］
	LiI	Si	KB	LiPF₆	2.6	>1200 mA·h/g at 0.2 mA/cm²	［31］
	SiO_x	Li	SWCNT	LiTFSI	0.14	>1200 mA·h/g at 0.2 mA/cm²	［61］
	LiVPO₄F	VO₂	MWCNT	LiTFSI	1.5	66 mA·h/g at 20 mA/cm²	［80］
	Nb₂O₅	Li	SWCNT	LiTFSI	1.5	220 mA·h/g at 0.3 mA/cm²	［83］
	LFP	CuSi₂P₃	Super P	LiPF₆	3	150 mA·h/g at 0.3 mA/cm²	［85］
Li⁃O₂ SSFBs	O₂	Li	Super P	LiTFSI	3.85	370 W·h/L at 0.25 mA/cm²	［32］
	O₂	Li	Pureblack 315	LiTFSI	2.5	>250 mA·h/g at 0.5 mA/cm²	［34］
Li⁃S/Se SSFBs	S	Li	KB	LiTFSI and LiNO₃	2	1340 mA·h/g at 1 mA/cm²	［35］
	S	Li	KB@rGO	LiTFSI and LiNO₃	2.1	1320 mA·h/g at 0.05C	［36］
	Se	Li	KB	LiTFSI	1.9	330 mA·h/g at 0.5 mA/cm²	［100］
Li⁃organic SSFBs	MPT	Li	KB	LiPF₆	3.45	189 W·h/L at 0.1 mA/cm²	［39］
	TEMPO⁃MPT	Li	KB	LiPF₆	3.4	260 W·h/L at 0.1 mA/cm²	［40］

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