Phosphonate-based iron complex for a cost-effective and long cycling aqueous iron redox flow battery

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作者
Gabriel Sikukuu Nambafu,Aaron M. Hollas,Shuyuan Zhang,Peter Rice,Daria Boglaienko,John L. Fulton,Minyuan M. Li,Qian Huang,Yu Zhu,David Reed,Vincent Sprenkle,Guosheng Li
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:15 (1)
标识
DOI:10.1038/s41467-024-45862-3
摘要

Abstract A promising metal-organic complex, iron (Fe)-NTMPA 2 , consisting of Fe(III) chloride and nitrilotri-(methylphosphonic acid) (NTMPA), is designed for use in aqueous iron redox flow batteries. A full-cell testing, where a concentrated Fe-NTMPA 2 anolyte (0.67 M) is paired with a Fe-CN catholyte, demonstrates exceptional cycling stability over 1000 charge/discharge cycles, and noteworthy performances, including 96% capacity utilization, a minimal capacity fade rate of 0.0013% per cycle (1.3% over 1,000 cycles), high Coulombic efficiency and energy efficiency near 100% and 87%, respectively, all achieved under a current density of 20 mA·cm - ². Furthermore, density functional theory unveils two potential coordination structures for Fe-NTMPA 2 complexes, improving the understanding between the ligand coordination environment and electron transfer kinetics. When paired with a high redox potential Fe-Dcbpy/CN catholyte, 2,2′-bipyridine-4,4′-dicarboxylic (Dcbpy) acid and cyanide (CN) ligands, Fe-NTMPA 2 demonstrates a notably elevated cell voltage of 1 V, enabling a practical energy density of up to 9 Wh/L.
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